ES2751129B2 - Motor de combustion interna y metodo de funcionamiento del mismo - Google Patents

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Description

DESC
MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Y M
Campo de la invención
La presente invención se refiere al c más específicamente a un motor de comb emite gases nocivos para la salud.
Antecedentes de la invención
Membranas MIEC
Las membranas mixtas de conducc membranas cerámicas densas, en las cuale otro por las propiedades de la estructura químico del oxígeno entre ambos lados membranas es del 100% para el oxígeno. elevadas (normalmente en el intervalo de (1-2 MPa) alimentadas en el lado de reten Air Products & Chemicals Inc., lo que ha comercialización de la tecnología de mem puro.
El transporte del ion oxígeno es sim electrónicos (portadores electrónicos), por conductividad electrónica en las condicion fuerza impulsora responsable del transport diferencia de presión parcial de oxígeno e modo, el flujo de oxígeno a través de temperatura y la diferencia de presión pa membrana.
Otro paso crucial en el proceso d transporte iónico es el intercambio gaseos través de la capa selectiva de separación portadores electrónicos. Por tanto, son n primera en la que el oxígeno gaseoso se ad superficie de la membrana expuesta a lo comprimido, y una segunda, en la que los io RIPCIÓN
ÉTODO DE FUNCIONAMIENTO DEL MISMO
campo de los motores de combustión interna, y ustión interna que quema hidrocarburos y no
ción iónica-electrónica (MIEC) son un tipo de les los iones de oxígeno difunden de un lado al cristalina debido a un gradiente de potencial de la membrana. La selectividad de estas . Estas membranas funcionan a temperaturas 700-1000 °C) con presiones de aire elevadas ción y vacío en el lado de permeación, según dado como resultado un gran avance en la branas MIEC para producciones de oxígeno
ultáneo al transporte de electrones o huecos r lo que el material debe poseer suficiente nes de funcionamiento de la membrana. La te de oxígeno a través de la membrana es la entre ambos lados de la membrana. De este una membrana viene determinado por la arcial del oxígeno además del espesor de la
e separación de oxígeno en membranas de so. Como se ha mencionado, el transporte a n consiste en la difusión de iones oxígeno y necesarias dos reacciones superficiales, una dsorbe y se transforma en iones oxígeno en la os gases de alimentación, generalmente aire ones oxígeno se transforman en oxígeno molecular y se desorbe. Por distintas raz limitantes y producir una disminución del fl Entre las distintas razones posibles, puede de separación es muy pequeño, de maner más rápida que el intercambio gaseos denomina "longitud característica” y es el constante cinética de la reacción de interc de funcionamiento y composición de gases (2) La superficie de la membrana no posee de activación de oxígeno. (3) Las atmósfe superficies de la membrana desfavorecen l su desprendimiento a través de la reacci desde el punto vista industrial, tanto el per cantidades apreciables de gases ácidos c ya que pasivan o inactivan la superficie reacción implicados en la reacción de in pernicioso se acentúa conforme se dism proceso, especialmente por debajo de 850 SO2 y CO2. Especialmente negativo es el e encima de 5 ppm producen efectos grave membrana.
La diferencia de presión parcial de puede alcanzar a través de dos acciones:
etapas de compresión; y/o (b) disminu permeado, lo cual es posible aplicando
mediante una corriente gaseosa de arrastr arrastre. Esta última opción suele consistir caldera de combustión, aumentando al mi Asimismo, en línea con la segunda opci (generalmente metano u otros hidrocarbu través de membrana para dar productos d directamente en contacto con la membrana Para entender las membranas MIE basados en la estructura cristalina, la com geometría y la configuración de la capa den Considerando su estructura cristali ones, estas etapas de transporte pueden ser flujo de permeación a través de la membrana.
destacarse: (1) el espesor de la capa selectiva a que la difusión a través del sólido es mucho o. Normalmente, está dimensión crítica se cociente entre el coeficiente de difusión y la ambio gaseoso superficial en las condiciones en contacto con la superficie de la membrana. actividad catalítica apreciable para la reacción ras gaseosas en contacto con la superficie o la adsorción/desorción del oxígeno molecular y ión O2 2 e- ^ O-2. En procesos relevantes rmeado como la alimentación suelen presentar omo CO2 y SO2, que dificultan dicha reacción y compiten con los centros de adsorción y tercambio gaseoso de oxígeno. Este efecto inuye la temperatura de funcionamiento del °C, y cuando se aumenta la concentración de fecto del gas SO2, ya que concentraciones por s en la permeación de oxígeno a través de la
oxígeno entre ambos lados de la membrana se (a) aumentando la presión del aire a través de yendo la presión parcial de oxígeno en el vacío, diluyendo el oxígeno en el permeado re o consumiendo el oxígeno en la cámara de r en recircular los gases de salida del horno o smo tiempo la temperatura de funcionamiento. ión, es posible hacer pasar un gas reductor ros) que consume el oxígeno que penetra a e combustión completa o parcial y liberar calor cerámica.
C, se suelen utilizar 5 criterios de clasificación posición de fases, la composición química, la sa.
na, se pueden clasificar las membranas MIEC en perovskitas, membranas derivadas de de las membranas MIEC tienen una estruct A es un catión de gran tamaño y B es un c cristalina constituida por octaedros de BO Algunas MIEC tienen una estructura crist Ruddlesde-Popper (R-P) con una fórmula cristalina de esta fase es similar a la de l perovskita (n) tienen una esquina comparti AO a lo largo del eje c. Algunas MIEC tiene típico los materiales basados en CeO2.
Si las membranas sólo tienen un ti monofásicas. La mayoría de las membrana Lai-xSrxCoi-yFeyO3-5 (0<x<1; 0<y<1). Si la m a la permeación de oxígeno se habla de membranas YSZ-Pd, que contienen una f oxígeno y una fase metálica, Pd, para el tr dos o más fases y sólo una contribuye a la compuesto. La fase inerte se añade par resistencia mecánica, por ejemplo). Por ej SrSnO3 comprende dos perovskitas dond permeación de oxígeno, pero mejora las pr Al principio del desarrollo de las m centraban en las que incorporaban Co en las membranas basadas en Co presentan ejemplo, en Bao.5Sro.5Coo.8Feo.2O3-s). No reducirse fácilmente a un estado de valenci que es inestable en entornos reductores.
libres de Co. Por ejemplo, BaCeo.o5Feo. menores en comparación con la respecti elevadas estabilidades incluso en H2 a elev Las geometrías más comunes son Finalmente, considerando la configuración cuando las membranas están compuest presenta suficiente espesor para soportar cuando las capas de membrana densa t espesores más pequeños ya que la integ perovskitas avanzadas y fluoritas. La mayoría tura cristalina de tipo perovskita (ABO3), donde atión más pequeño. Una perovskita es una red
6 con iones A localizados en 12 intersticios. talina similar a una perovskita, como las de de An+iBnO3n+i (n=1, 2, 3, ...). La estructura a perovskita en la que un número de bloques da con el octaedro BO6 modificado con la capa en una estructura de fluorita, siendo el ejemplo
ipo de fase cristalina se habla de membranas s de perovskita son monofásicas, por ejemplo, embrana tiene dos fases y ambas contribuyen membranas de fase dual. Un ejemplo son las fluorita, YSZ, para el transporte de iones de ransporte de electrones. Si la membrana tiene a permeación de oxígeno se habla de material ra mejorar alguna propiedad del material (la emplo, el material compuesto SrCoo.8Feo.2O3-se la fase SrSnO3 es inerte con respecto a la opiedades mecánicas de la membrana.
embranas de tipo perovskita, los estudios se el sitio de la posición cristalina B debido a que n una elevada conductividad de oxígeno (por obstante, los cationes de cobalto pueden ia menor debido a los débiles enlaces de Co-O Por lo tanto, se han desarrollado perovskitas .95O3-s presenta conductividades de oxígeno iva perovskita basada en Co, pero presenta adas temperaturas.
membranas planas, tubulares y fibras huecas. de la capa densa se habla de autosoportadas tas por una única capa de membrana que la integridad de la membrana, y asimétricas tienen una capa porosa que permite utilizar ridad de la membrana esta soportada por la capa porosa.
Para su uso práctico, las membrana a través de transporte iónico están f componentes:
i. Un soporte poroso, generalmente hecho la capa de separación o compatible con la capa de separaci expansión similar en función de la entre ambas fases a altas tempe generalmente dan como resultado porosidad de soporte suele estar c es variable, normalmente por debaj ii. Sobre el soporte poroso se sitúa u con un espesor inferior a 150 ^m. E de óxidos y permite el transporte electrónicos a su través.
iii. Sobre la capa no porosa existe preferiblemente entre 100 y 10 ^m, mixta iónica y electrónica a
adsorción/desorción de oxígeno y s permite mejorar los procesos de inc En algunos casos, existe una cap poroso y la capa de separación no porosa intercambio gaseoso, en especial cuand catalítica ni permite llevar a cabo el
electrónicos. Generalmente, las propieda porosa adicional son bastante semejante superficial del soporte poroso es superior.
Opcionalmente también puede ser Esta capa se situaría entre la capa no por de la capa de separación frente a posibles contacto con la capa (iii) o con los gase adicional debe permitir el transporte de io que ser compatible termo-químicamente c los que esté en contacto.
s de separación de oxígeno a alta temperatura ormadas, generalmente, por los siguientes
hecho o bien del mismo material del que está bien de un material (cerámico o metálico) ión. Compatible significa que tiene un perfil de temperatura y que no tiene lugar una reacción raturas para dar lugar a terceras fases, que la degradación y rotura de la membrana. La omprendida entre el 20 y el 60%, y su espesor o de 2 mm.
na capa o película no porosa, preferiblemente sta capa está constituida por óxidos o mezclas simultáneo de iones oxígeno y portadores
adherida una capa porosa con un espesor hecha de un material que posee conductividad la vez que actividad catalítica para la u disociación e ionización. Esta capa catalítica orporación y eliminación de oxígeno gaseoso. a catalítica porosa adicional entre el soporte que tiene la función de mejorar las etapas de o el soporte poroso no posee ni actividad transporte de iones oxígeno ni portadores des del soporte poroso y la capa catalítica s, si bien por lo general el área específica
necesaria otra capa no porosa adicional (v). rosa y la capa porosa, y serviría de protección interacciones o reacciones de degradación en s en contacto con la capa porosa. Esta capa nes oxígeno y portadores de oxígeno a la vez on las capas adyacentes y con los gases con Oxicombustión
La oxicombustión consiste en la ut pureza como comburente en lugar de
combustión convencionales, alcanzando
elevadas con menor consumo de combust uso de comburentes ricos en oxígeno hace composición que consiste principalment concentración de CO2 de los gases de sali potencial separación del mismo (v US20070175411A1, US20070175411A1, U Las membranas de oxígeno basada aplicarse en el enriquecimiento del aire, de oxígeno del 21% a valores superiores, norm La oxicombustión apunta a ser una captura de CO2, siendo su principal inc presenta y el coste que la obtención de ést encuentra en la producción de O2 para logr requieren.
En los reactores de membrana, las propósitos: extracción selectiva de reactivo reactivo, soporte del catalizador. Todo ell reacciones en sistemas limitados por el e secundarias, protegiendo el catalizador de
Membranas de CO2
Actualmente existen gran variedad del CO2. Estos materiales van desde pol materiales inorgánicos. Pese a esta dife materiales en las llamadas membranas de matrices poliméricas con partículas inorgá tecnología aporta flexibilidad a la captura d la combustión. Sin embargo, este ti permeabilidad a más gases, por ejemplo necesario que la permeabilidad mayorita permeabilidad a O2 y a N2 sea ínfima. Para existen diversas tecnologías:
tilización de una corriente de O2 de elevada aire, como se realiza en los procesos de de esta forma temperaturas de llama más tible y logrando así mejorar la combustión. El posible obtener gases de combustión con una e en CO2 y vapor de agua. La elevada lida en el proceso de oxicombustión facilita la véanse, por ejemplo, los documentos S9702300B2, CN102297025A).
as en siliconas o polisulfonas también pueden manera que se aumenta la concentración de almente por encima del 24%.
a de las tecnologías más económicas para la onveniente la elevada demanda de O2 que te conlleva. El gran reto de esta tecnología se rar suministrar las elevadas cantidades que se
membranas se introducen con los siguientes s, retención del catalizador, dosificación de un llo conlleva aumentos de la eficiencia de las equilibrio termodinámico, evitando reacciones posibles compuestos que lo desactiven, etc.
de materiales que permiten el paso selectivo límeros avanzados hasta diferentes tipos de renciación, existen combinaciones de estos matriz mixta que generalmente consisten en ánicas dispersadas en la matriz. Este tipo de e CO2 permitiendo actuar antes o después de ipo de materiales generalmente presenta o, N2, O2, H2, etc. Para esta aplicación es aria sea a CO2, y, adicionalmente, que la a la separación de CO2 del resto de los gases a. Tecnología de separación de CO 2 media Existen diferentes polímeros que pe corriente gaseosa. La aplicación de políme punto de vista económico debido al bajo c polímeros, pero son materiales generalme mecánica y térmica y por su baja permea estándar de 50 para la selectividad cr materiales trabaja a temperaturas bajas y p Entre los diferentes polímeros di polietileno reticulado (XLPEO) con perme CO 2 /CH 4 de 18 a 35°C (barrer = 10-10 c poliamidas, como Pebax, que presenta aproximadamente 6 a 25°C y 3 atm, permeabilidades de 41-104 GPU con selecti atm usando mezclas húmedas de CO 2 y
otros, los productos Polaris™ and Pol tecnología.
Debe observarse que para la separ gran selectividad, ya que la concentración 0,035% y la del N 2 es del 78%.
b. Tecnología de separación de CO 2 media Considerando aparte las membran grupo de membranas basadas en material corrientes gaseosas se encuentran las membranas basadas en sílice, membran zeolitas.
Las membranas metálicas están b materiales presentan elevadas permea fundamentalmente para la separación de H membranas son una tecnología madur precombustión. Sin embargo, la estabilidad implementación en sistemas industriales.
Las membranas inorgánicas poros organometálicas (MOF) y membranas de c nte membranas poliméricas
rmiten la separación selectiva del CO 2 de una ros a la captura de CO 2 es atractiva desde el coste, facilidad de síntesis y procesado de los nte limitados debido a su estabilidad química, abilidad. Se ha establecido un límite superior uzada CO 2 /N 2 . Generalmente, este tipo de resiones intermedias (1 - 5 bar):
isponibles hay que destacar: (i) óxidos de abilidades de 420 barrers y selectividad para cm3(STP) cm/(cm2 s cmHg)), (ii) basadas en 132 barrers y selectividades CO 2 /N 2 de (iii) basadas en poliamidas (PVAm) con tividad CO 2 /N 2 en el rango 100-197 a 25°C y 2 N 2 (GPU = 10-6 cm3(STP)/(cm2scmHg)). Entre lyactive son ejemplos comerciales de esta
ación de CO 2 a partir de aire es necesaria una del CO 2 en el aire es de aproximadamente el
nte membranas inorgánicas
nas basadas en carbonatos fundidos, en el les inorgánicos para la separación de CO 2 de membranas metálicas (basadas en Pd), nas de carbono y membranas basadas en
basadas en paladio y sus aleaciones. Estos bilidades a H 2 . Por tanto, se emplean
2 en sistemas de precombustión. Este tipo de ra para sistemas de captura de CO 2 en d de estos materiales debe mejorarse para su
sas (membranas basadas en sílice, zeolitas, carbono) pueden aplicarse a la separación de CO2.
Las zeolitas son aluminosilicatos homogénea y un diámetro de canal mín produce por difusión superficial o por tami de separación: (i) cuando las moléculas diferente tamaño, donde las moléculas de cuando las moléculas tienen fuerzas de ad la membrana es selectiva a la molécula qu cuando las moléculas tienen fuerzas de mecanismo es una combinación entre la c la difusividad. De esta manera las s maximizarse a bajas temperaturas separa temperaturas mediante el primer régimen. selectividades CO2/N2 de 9,5 a 303 K (de CO2 de 3-10"7 mol/(m2 sPa) y zeolitas del mol/(m2 sPa) y selectividades de 100 y 2 303 K (29,85°C).
Las membranas basadas en sílice p CO2/N2 y H2/CO2, debido a su elevada diferentes atmósferas y condiciones. El co muy condicionado, entre otros factores, a están en el rango de 310 -10 - 510 -7 mol/(m CO2/N2, de 325 para CO2/CH4 y de 670 método de síntesis y condiciones.
Las membranas de carbono, compu alto contenido en carbono, han surgido co de separación de gases debido a su ambientes corrosivos, alta permeabilidad comparación con las membranas poliméric materiales alcanzan selectividades de 100 2000 - 10000 barrers, y selectividades de de 5 barrers.
c. Tecnología de separación de CO2 m fundidos
Utilizando materiales similares a la caracterizados para una estructura porosa nimo. La separación en estos materiales se izado molecular. Se distinguen tres regímenes tienen fuerzas de adsorción similares pero menor tamaño penetran más fácilmente; (ii) sorción diferentes y tamaños similares, donde e presenta mayores fuerzas de adsorción; (iii) adsorción y tamaños diferentes, donde el ompetitividad entre las fuerzas de adsorción y electividades CO2/N2 y/o CO2/CH4 pueden ndo los gases por el tercer régimen, o a altas . Entre las zeolitas cabe destacar ZSM-5 con -263,65°C a 29,85°C) y una permeabilidad a l tipo Y con permeabilidades a CO2 de 410 -7 1 para CO2/N2 y CO2/CH4, respectivamente a
presentan un gran potencial para la separación estabilidad química, térmica y mecánica en mportamiento de este tipo de membranas está su método de síntesis. Las permeabilidades
2 sPa), alcanzando selectividades de 60 para para CO2/H2 dependiendo del tipo de sílice,
estas por materiales microporosos amorfos de mo prometedores materiales para aplicaciones resistencia térmica, estabilidad química en a los gases y excelente selectividad en as. Considerando la separación de CO2, estos para CO2/CH4 con permeabilidades a CO2 de 10 para CO2/N2 con permeabilidades de CO2
ediante membranas basadas en carbonatos
s cerámicas de conducción iónica (oxígeno)-electrónica se han desarrollado materiales el paso selectivo de CO2. Sin embargo, aplicaciones industriales debido a los bajo trabajos publicados hasta la fecha.
Motores de combustión interna alternativos Los motores de combustión intern importante para vehículos terrestres y m pasajeros. Tanto su diseño como su ma inyección de combustible; bombas adicio optimizado profundamente durante el siglo motores alternativos de 4 tiempos lideran específica, su capacidad para cumplir c gaseosas y acústicas contaminantes y su b No obstante, la necesidad de limit atmosférico y la necesidad de mejorar superpoblados están presionando los lím conceptos actuales de combustión y renova
Oxicombustión en motores
Integrar un sistema de oxicombusti ventajas expuestas (mayores eficiencias forma de producir el oxígeno ya que el vehículo. Considerando motores que empl varias alternativas:
(i) Almacenar oxígeno en el vehíc generación de oxígeno fuera del v del espacio dentro del vehículo pa Varios estudios han propuesto
líquida para reducir espacio ( DE3625451A1, entre otros). Sin e y de un sistema de almacenami mantener el oxígeno en fase líqui almacenar el oxígeno comprimido US 3425402). Pese a todo, este tip otro lugar, con lo que además del basados en carbonatos fundidos que permiten este tipo de membranas aún están lejos de s flujos de CO2 observados en los diferentes
a alternativos representan la tecnología más arinos tanto de transporte pesado como de quinaria auxiliar (turbomáquinas; sistemas de onales e intercambiadores de calor) se han pasado para varios tipos de combustible. Los n el transporte terrestre por su alta potencia on las diversas normativas sobre emisiones ajo consumo específico promedio.
ar las emisiones de CO2 o incluso retirar CO2 r la calidad del aire en entornos urbanos ites tecnológicos de estos motores con los ación de la carga de los mismos.
ión en un motor para vehículos magnifica las y reducción de emisiones), pero complica la espacio está limitado a las dimensiones del ean oxígeno como oxidante, se han planteado
ulo. Este sistema sitúa el problema de la vehículo, con lo que sólo se requiere disponer ra el sistema de almacenamiento del oxígeno. almacenar en el vehículo oxígeno en forma véanse los documentos CN201835947U y mbargo, esto aumentaría el coste del oxígeno iento que requeriría bajas temperaturas para ida. Otros estudios han planteado la idea de en tanques dentro del vehículo (documento po de solución requeriría generar el oxígeno en l gasto del sistema de almacenamiento (tanto en fase líquida como en fase g operación del oxígeno. Consider alternativa no sería viable y sería con respecto a la generación de ox (ii) Generar el oxígeno a partir de fu 3709203 describe la generación térmica de un perclorato de metal oxígeno se genera mediante el US2775961A a partir de peróxid elevadas demandas de oxígeno probable que integrar alguna de e sea viable y competitivo con respe (iii) Generar el oxígeno a partir del aire:
a. Introduciendo sistemas de filt PSA (documento WO 20050 inconveniente de que para sat sistemas muy grandes.
b. Utilizando membranas basad US20030024513A1, US5 US2006/0042466A1, CN1015 se han planteado en mayor m el aire que para la generación membrana necesarias para co proceso harían inviable el proc c. Utilizando membranas basad una celda electroquímica me iones oxígeno (documento U necesitaría de una demanda necesariamente del motor dis sistema. (c2) Utilizando mem iones oxígeno (documento US selectivamente de la corrien cantidades de calor para man Para ello este sistema usa el c
Sumario de la invención
aseosa) habría que considerar el gasto de ando todos estos sobrecostes, a priori esta necesaria una mejora de la tecnología actual xígeno y su almacenamiento.
uentes alternativas al aire. El documento US del oxígeno a partir de una descomposición alcalino, según el documento US 3961609A el lectrolisis de agua, y según el documento o de hidrógeno. Sin embargo, debido a las que estos sistemas necesitan, no parece estas soluciones a un motor para un vehículo cto a la tecnología actual.
trado (documento US 3961609A) o adsorción 083243). Este tipo de solución presenta el tisfacer la demanda de oxígeno se requerirían
as en siliconas o polisulfonas (documentos 636619A, US5678526, US5636619, 26035A). Sin embargo, este tipo de sistemas edida para el enriquecimiento del oxígeno en de oxígeno puro, de manera que las áreas de onseguir un grado de pureza aceptable para el ceso.
as en conductores cerámicos. (c1) Utilizando ediante un electrolito cerámico conductor de S 20090139497A1); no obstante, este sistema de energía eléctrica que se debería sacar sminuyendo de esta manera la eficiencia del branas de conducción mixta electrónica y de 20130247886A1) donde el oxígeno se separa te de aire. Este proceso requiere grandes tener la temperatura en torno a 700-1000 °C. calor de los gases de salida del motor.
La presente invención tiene como interna que aporte ventajas con respecto Más particularmente, la presente invención tal como se define en la reivindicación 1 a o incluso evitar, la emisión de NOx a la atm En las reivindicaciones dependient del motor de la presente invención que a técnica anterior.
Más específicamente, en su aspe conocer un motor de combustión interna, comburente y usa hidrocarburos como com - un primer ciclo de Brayton r enfriamiento intermedio y expan mezcla de una parte del nitróge separa el O2 del aire compri succionado está libre de N2, y u la membrana MIEC se envía dir evitando su participación en un compresiones de aire se realiza - un segundo ciclo de Brayton combinado de forma binaria con anidado con un ciclo seleccio realizado mediante oxicombustió en el que el segundo ciclo de Brayt mecánica mediante el acoplamiento del al segundo cilindro a través de un cigüeñal, a de escape;
en el que el primer ciclo de Brayto comprimido procedente de la membrana MI mediante lo cual se evita la emisió N2 en la membrana MIEC.
Tal como entenderá fácilmente un el presente documento que un motor " expresiones similares, esto debe interpret necesarios para llevar a cabo un primer cic limitar la presente invención a ninguna objetivo proporcionar un motor de combustión al estado de la técnica anteriormente descrito.
da a conocer un motor de combustión interna djunta, que reduce la contaminación al reducir, ósfera.
es se dan a conocer realizaciones adicionales portan ventajas adicionales con respecto a la
cto más amplio, la presente invención da a del tipo que succiona aire atmosférico como bustible, que comprende:
regenerativo de compresiones de aire con siones de nitrógeno con recalentamiento, por no, que comprende una membrana MIEC que imido, de manera que la corriente de aire n aire empobrecido procedente del rechazo de ectamente a una corriente de gases de escape a combustión posterior, en el que parte de las n en al menos un primer cilindro del motor;
con compresión con enfriamiento intermedio, el primer ciclo de Brayton (cediéndole calor) y nado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel n en al menos un segundo cilindro del motor, on transmite al primer ciclo de Brayton energía l menos un primer cilindro con el al menos un sí como energía térmica procedente de gases
n proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 IEC;
n de NOx a la atmósfera por la separación de
experto en la técnica, cuando se menciona en "comprende un primer ciclo de Brayton”, y tarse como que el motor "comprende medios lo de Brayton”. En tales casos, no se pretende combinación de medios específica, y debe entenderse que cualquier medio adecuado similar) queda abarcado por la presente inv Según otro aspecto, la presente in funcionamiento de motor de combustión i como comburente y usa hidrocarburos com - un primer ciclo de Brayton r enfriamiento intermedio y expan mezcla de una parte del nitró comprimido, de manera que la un aire empobrecido procede directamente a una corriente de una combustión posterior;
- un segundo ciclo de Brayton combinado de forma binaria con anidado con un ciclo seleccio realizado mediante oxicombustió en el que el segundo ciclo de Brayt mecánica así como energía térmica proced en el que el primer ciclo de Brayto comprimido procedente de la separación;
mediante lo cual se evita la emisió N2.
Tal como se describirá de manera documento, la presente invención integra conductores mixtos electrónicos y de ione energía necesaria para la membrana MIEC calor residual (como son los gases de esca aumentos de temperatura que ofrece la oxi temperatura necesaria sin desperdicio de capacidad de compresión de los cilindros d conseguir las condiciones de presión idó siguientes procesos, que se proporciona preferidas según la presente invención: ma aire y el O2 para maximizar la producti separación del CO2 atmosférico del aire; (superar su presión crítica de 7,5 MPa).
para llevar a cabo dicho ciclo de Brayton (o ención.
vención también da a conocer un método de nterna, del tipo que succiona aire atmosférico o combustible, comprendiendo el método:
regenerativo de compresiones de aire con siones de nitrógeno con recalentamiento, por geno, que comprende separar el O2 del aire corriente de aire succionado está libre de N2, y nte del rechazo de la separación se envía gases de escape evitando su participación en
con compresión con enfriamiento intermedio, el primer ciclo de Brayton (cediéndole calor) y nado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel n,
on transmite al primer ciclo de Brayton energía ente de gases de escape;
n proporciona al segundo ciclo de Brayton O2
n de NOx a la atmósfera por la separación de
más detallada a continuación en el presente membranas basadas en materiales cerámicos s oxígeno de manera que se recupera toda la de separación de O2 de la principal fuente de pe a la salida de los cilindros) y aprovecha los icombustión para suministrar a la membrana la calor. También se pretende aprovechar la alta e los motores alternativos (hasta 25 MPa) para neas. Se necesitan presiones altas para los n en al menos algunas de las realizaciones ximizar la diferencia de presión parcial entre el vidad de la membrana de O2; maximizar la y finalmente, comprimir hasta licuar el CO2 Las turbomáquinas de los sistema usan en la presente invención para el p separación ni para la densificación US20130247886A1) debido a las bajas (presión máxima inferior a 0,6 MPa a turbocompresores en turbogrupos para pr ineficientes en las cercanías de esos valore Tampoco se aprovecha la temperat turbocompresores (también a diferencia d mucha menor eficiencia de los procesos de a los isotermos. Ahora bien, en la prese enfría antes de pasar a la siguiente etapa isotermo (y por tanto más eficiente) posible calor que usan agua para enfriar la carga d de Brayton a vacío que convierten calor retiran calor del fluido y lo transmiten al ent aunque parezca un gasto de energía, es e dicha siguiente etapa de compresión. Inclu compresión, mecánicamente posible, dentr ya que al realizarse el proceso de com permanece largo tiempo en los cilindros, c contra el refrigerante del motor. Este enfria más cercano al isotermo y nuevamente m carreras del motor, sin que medie combust vez en el presente documento.
La razón última de la búsqueda de procesos es conseguir un grupo propuls menos alguna de las siguientes característi de gases contaminantes; que atrape el
ambiente todo o parte del CO 2 atmosférico transportarse y; por último, que sea comp actuales en cuanto al consumo de combusti Para conseguir este último objetivo, sus realizaciones preferidas, un sistema d novedoso. Éste evita la mariposa de estr motor en los motores de encendido pr s de sobrealimentación de los motores no se roceso de compresión del aire antes de su del CO 2 (a diferencia del documento relaciones de compresión que proporcionan nivel del mar). No existen desarrollos de esiones superiores a los 0,6 MPa, y son muy s.
tura asociada a la compresión del aire en los el documento US20130247886A1) debido a la compresión isentrópicos e irreversibles frente nte invención el aire comprimido siempre se de compresión para que el proceso sea lo más . Esto se hace o bien con intercambiadores de e aire (comúnmente WCAC), o bien con ciclos en presión (CBV). Tanto CBV como WCAC torno antes de la siguiente compresión, lo cual, n realidad una ganancia que se rentabiliza en uso se busca conseguir la máxima relación de ro de los cilindros del motor de cuatro tiempos, presión del aire en cuatro carreras el aire ontribuyendo esa residencia a su enfriamiento miento del aire a alta presión hace el proceso ás eficiente. Este uso innovador de las cuatro tión en esos cilindros, se describe por primera
la máxima eficiencia energética en todos los or / motor de oxicombustión que presente al ticas: que no emita o emita ínfimas cantidades CO 2 producido en la combustión y retire del ; que sea compacto y liviano para poder autoetitivo con los motores de combustión interna tible.
, la presente invención describe, en alguna de e regulación de la carga del motor totalmente angulación del flujo para regular la carga del ovocado (SI) con oxicombustión de mezcla homogénea. Esto se hace usando los tur de combustión (como propone el d sobrealimentar los cilindros que comprim regulación de la producción de O2 de las
mariposa elimina las pérdidas de bombeo durante la regulación de su carga, que es ineficiencia que se evita, con la oxicombus el enriquecimiento de la mezcla (más allá d la temperatura de los gases de escape.
presente invención diluyendo la mezcla
barrer el lado del O2 en la MIEC en vez de de los turbogrupos y de la MIEC permite r de la tasa de producción de O2 como el disposición de turbomáquinas y membran más eficiente que las descritas hasta ahor control de la presión expandiendo el flu laminación de la presión en válvulas de reg por ejemplo, en el documento US20130247 Además, la presente invención preferentes usar el CO2 líquido durante el permite recuperar gran parte de la energía supercrítico con este fluido que funciona d O2. Ambos ciclos comparten algunos de su del estado térmico y el de expansión del explicado, ni el ciclo conjugado de O2, con sido descritos por fuentes anteriores a la pr Durante el licuado del CO2, para p centros de procesado pertinentes, se prod masa total de sustancia trasegada) d necesariamente del CO2. Como diferen respecto al documento US20130247886A1 energéticamente expandiéndose en estado la virtud, por un lado, de emitir el agua en otro lado, de reducir el consumo energétic en las membranas de separación del O2.
bogrupos, no para sobrealimentar los cilindros ocumento US20130247886A1), sino para en el aire antes de las membranas y usa la MIEC para regular la carga. Evitar el uso de la de los motores SI de combustión premezclada la principal ineficiencia de éstos. La segunda tión, en los SI de combustión premezclada es el dosado estequiométrico: A,<1) para controlar Éste control de temperatura se realiza en la O2-combustible con el CO2 puro usado para con el combustible. La disposición propuesta ealizar de forma independiente tanto el control control de su tasa de dilución con CO2. Ésta a permite hacer ambos controles de manera a en el estado de la técnica, pues se realiza el jo en las turbinas; en vez de la ineficiente ulación (esto último es lo que se ha propuesto, 886A1).
propone en alguna de sus realizaciones ciclo de combustión del motor alternativo. Esto necesaria para licuar el CO2 en un ciclo motor e forma simultánea y conjugada con el ciclo de s procesos, fundamentalmente el de aumento l fluido. Ni el ciclo supercrítico de CO2 aquí el que comparte algunos de sus procesos, han resente invención.
osteriormente almacenarlo y transferirlo a los uce un porcentaje (de alrededor del 2% de la e agua líquida, que tiene que separarse cia adicional de la presente invención con , el agua separada a alta presión se valoriza vapor en una de las turbinas. Este uso tiene forma vapor frente a un chorreo líquido y; por o para conseguir la presión necesaria del aire Breve descripción de los dibujos
La presente invención se entenderá que ilustran realizaciones preferidas de la que no deben interpretarse como limitativas La figura 1 muestra un diagrama según una primera realización preferida de y estequiométrica, de alta potencia específ O2 del aire, sin emisión de gases nociv positivas de CO2.
La figura 2a muestra un diagrama según una segunda realización preferi homogénea y estequiométrica, de alta pot gases nocivos para la salud, con MIEC polimérica para separar CO2 y con emision La figura 2b muestra un diagrama según una alternativa del motor mostrad estequiométrica, de alta potencia específic para la salud, con MIEC para separar carbonatos fundidos para separar CO2 del La figura 3 muestra un diagrama de una tercera realización preferida de la pr pobre, de alta potencia específica, alta efi sin emisión de gases nocivos para la salud La figura 4a muestra un diagrama según una cuarta realización preferida de l y pobre, de alta potencia específica, alta ef salud, con MIEC para separar el O2 del air del aire y con emisiones netas negativas de La figura 4b muestra un diagrama según una alternativa del motor de la figur potencia específica, alta eficiencia, sin emi para separar el O2 del aire y membrana ba del aire y con emisiones netas negativas de La figura 5a muestra un esquema d La figura 5b muestra un diagram idealizado y calculado para una situación c mejor con referencia a los siguientes dibujos misma, proporcionadas a modo de ejemplo, y de la invención de ninguna manera:
de un motor de oxicombustión premezclada la presente invención, con mezcla homogénea fica, alta eficiencia, con MIEC para separar el os para la salud pero con emisiones netas
de un motor de oxicombustión premezclada da de la presente invención, con mezcla encia específica, alta eficiencia, sin emisión de para separar el O2 del aire, con membrana es netas negativas de CO2.
de un motor de oxicombustión premezclada o en la figura 2a, con mezcla homogénea y a, alta eficiencia, sin emisión de gases nocivos el O2 del aire, con membrana basada en aire y con emisiones netas negativas de CO2.
un motor de oxicombustión por difusión según resente invención, con mezcla estratificada y ciencia, con MIEC para separar el O2 del aire, pero con emisiones netas positivas de CO2.
de un motor de oxicombustión por difusión la presente invención, con mezcla estratificada ficiencia, sin emisión de gases nocivos para la e, con membrana polimérica para separar CO2 CO2.
de un motor de oxicombustión por difusión a 4a, con mezcla estratificada y pobre, de alta sión de gases nocivos para la salud, con MIEC sada en carbonatos fundidos para separar CO2 CO2.
el ciclo de Brayton a vacío (CBV).
a T-s del ciclo de Brayton a vacío (CBV) oncreta.
La figura 6 muestra un ciclo super O2, correspondiente a la realización 4 de la La figura 7 muestra un ciclo Diése compresión con enfriamiento intermedio co 4a y 4b.
La figura 8 muestra una gráfica de l para distintos grados de carga y en base a la realización de la figura 1.
La figura 9 muestra una gráfica de de la temperatura de combustión para dist según la realización de la figura 1.
La figura 10 muestra una gráfica parciales para un motor según la realizació La figura 11 muestra una gráfica del parciales para un motor según la realizació La figura 12 muestra una gráfica de parciales para un motor según la realizació La figura 13 muestra una gráfica d combustión para un motor según la realizac
Descripción detallada de las realizaciones
Tal como se mencionó anteriorme motor de combustión interna, del tipo que usa hidrocarburos como combustible, que c - un primer ciclo de Brayton r enfriamiento intermedio y expan mezcla de una parte del nitróge que separa el O2 del aire com succionado está libre de N2, y u la membrana MIEC (6) se enví escape evitando su participació de las compresiones de aire s preferiblemente dos primeros cili - un segundo ciclo de Brayton
combinado de forma binaria co ciclo seleccionado de un ciclo crítico del CO2 anidado con el ciclo Diésel del s figuras 4a y 4b.
l del O2 anidado con el ciclo de Brayton de rrespondiente a la realización 4 de las figuras
la regulación de la temperatura de combustión la tasa de EGR; esto es para un motor según
la eficiencia de la MIEC durante la regulación tintos grados de carga; esto es para un motor
del par efectivo a plena carga y a cargas n de la figura 1.
l consumo específico a plena carga y a cargas n de la figura 1.
la potencia efectiva a plena carga y a cargas n de la figura 1.
e los resultados del ciclo dentro del cilindro de ción de la figura 1.
preferidas
nte, la presente invención da a conocer un succiona aire atmosférico como comburente y comprende:
regenerativo de compresiones de aire con siones de nitrógeno con recalentamiento, por no, que comprende una membrana MIEC (6) primido, de manera que la corriente de aire n aire empobrecido procedente del rechazo de ía directamente a una corriente de gases de n en una combustión posterior, en el que parte e realizan en al menos un primer cilindro (4), lindros (4), del motor;
con compresión con enfriamiento intermedio, n el primer ciclo de Brayton y anidado con un de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión en al menos u segundos cilindros (14), del mot en el que el segundo ciclo de Brayt mecánica mediante el acoplamiento del al un segundo cilindro (14) a través de u procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayto comprimido procedente de la membrana MI mediante lo cual se evita la emisió N2 en la membrana MIEC (6).
Según una realización preferida, la ciclo de Brayton se usa para sobrealiment compresor C1 (10).
Según otra realización preferida, separado del aire atmosférico. El término " gaseosa, tal como “O2 puro”) no debe inter estricto limitativo. Por ejemplo, en este ca pura al 100%, sino contener también algu embargo, esta corriente de O2 puro (o de N2, de modo que se evita la producción d tanto la emisión de dichos NOx a la atmósf Según otra realización preferida, la CO2. El CO2 con el que se diluye el O2 e atmosférico, o bien producirse por la comb Brayton.
Según otra realización preferida, si de cada etapa de compresión.
Según otra realización preferida, se mediante combinación de los ciclos d regeneraciones antes de cada enfriamiento Según otra realización preferida, la ciclo de Brayton se usa además para com puede comprimirse, por ejemplo, hasta al Brayton puede estar anidado con un ciclo pistón adicional (22) así como válvulas anti a la entrada y una segunda válvula ant n segundo cilindro (14), preferiblemente dos or,
on transmite al primer ciclo de Brayton energía menos un primer cilindro (4) con el al menos n cigüeñal (25), así como energía térmica
n proporciona al segundo ciclo de Brayton O2 IEC (6);
n de NOx a la atmósfera por la separación de
energía mecánica neta producida por el primer tar el segundo ciclo de Brayton a través de un
la membrana MIEC (6) produce O2 puro puro” (por ejemplo, aplicado a alguna corriente pretarse en la presente memoria en un sentido so, la corriente de O2 producida puede no ser na cantidad menor, por ejemplo, de CO2. Sin O2 sustancialmente puro) se ha separado del e NOx en una oxicombustión posterior, y por era.
membrana MIEC (6) produce O2 diluido con n este caso puede o bien obtenerse del aire ustión con hidrocarburo en el segundo ciclo de
empre hay una etapa de enfriamiento después
recupera calor de todas las fuentes residuales e Brayton primero y segundo realizando .
energía mecánica producida por el segundo primir CO2 producido hasta licuarlo. Dicho CO2 menos 7,5 MPa. Además, el segundo ciclo de de Otto, y el motor comprende al menos un tirretorno (una primera válvula antirretorno (33) tirretorno (19) aguas abajo del mismo) para succionar y comprimir CO2 sobrante acumul Según otra alternativa de esta últi Brayton está anidado con un ciclo Diésel, y cilindros (14) para comprimir el CO2, medi segunda (33, 19) que permiten la descarga puro. Este O2 sustancialmente puro se em separación selectivas de CO2.
Según otra realización preferida, el a vacío (CBV) para enfriar más intensamen con CO2, antes de una compresión posterior Según otra realización preferida, el almacenamiento de CO2 licuado producido. (20) puede usarse para bombear combusti segundos cilindros (14) del motor, estando en un mismo tanque separados por una m baja presión que se usa en los sistemas d más extendidos de los motores actuales transferirse a un surtidor de una red logístic Según otra realización preferida, la cerámicos cristalinos que presentan condu oxígeno.
Según otra realización preferida, e provocado (SI), se emplean turbogrupos p se emplea la regulación de la producción d carga del motor.
Según otra realización preferida, en compresión (CI), se emplean turbogrupos p se emplea la regulación de la producción d relación de compresión efectiva del fluido d En otro aspecto, la presente invenci de motor de combustión interna, del tipo qu y usa hidrocarburos como combustible, com - un primer ciclo de Brayton r enfriamiento intermedio y expan mezcla de una parte del nitróg comprimido, de manera que la c lado en conductos del motor.
ma realización preferida, el segundo ciclo de y se usa la carrera de escape de los segundos iante el uso de válvulas antirretorno primera y a de CO2 y la admisión de O2 sustancialmente plea como gas de arrastre en membranas de
motor comprende además un ciclo de Brayton nte el O2 sustancialmente puro, o el O2 diluido r.
l motor comprende un primer depósito (20) de . Dicho CO2 almacenado en el primer depósito ible desde un segundo depósito (27) hacia los ambos depósitos primero y segundo (20, 27) embrana flexible (sustituyendo a la bomba de e inyección de tipo "common rail”; que son los s de encendido por compresión) y/o puede a de CO2 externa.
a membrana MIEC (6) se basa en materiales cción mixta de portadores electrónicos e iones
en la que el motor es de tipo de encendido ara sobrealimentar los primeros cilindros (4) y e O2 de la membrana MIEC (6) para regular la
n la que el motor es de tipo de encendido por para sobrealimentar los primeros cilindros (4) y e O2 de la membrana MIEC (6) para regular la e trabajo en el ciclo del motor.
ión da a conocer un método de funcionamiento e succiona aire atmosférico como comburente prendiendo el método:
regenerativo de compresiones de aire con siones de nitrógeno con recalentamiento, por geno, que comprende separar el O2 del aire corriente de aire succionado está libre de N2, y un aire empobrecido procede directamente a una corriente de una combustión posterior;
- un segundo ciclo de Brayton combinado de forma binaria co ciclo seleccionado de un ciclo oxicombustión,
en el que el segundo ciclo de Brayt mecánica así como energía térmica proced en el que el primer ciclo de Brayto comprimido procedente de la separación;
mediante lo cual se evita la emisió N2.
Según una realización preferida del por el primer ciclo de Brayton se usa para s Según una realización preferida del puro separado del aire atmosférico. Altern O2 diluido con CO2. En este caso, el CO2 c aire atmosférico o puede producirse por l ciclo de Brayton.
Según una realización preferida enfriamiento después de cada etapa de co Según una realización preferida
fuentes residuales mediante combinación realizando regeneraciones antes de cada e Según una realización preferida del segundo ciclo de Brayton se usa además Por ejemplo, puede comprimirse el CO2 h ciclo de Brayton puede estar anidado co succionar y comprimir CO2 sobrante acumu Según otra alternativa, el segundo Diésel, y el método comprende comprimir admisión de O2 sustancialmente puro, emp membranas de separación selectivas de C Según una realización preferida, Brayton a vacío (CBV) para enfriar más int nte del rechazo de la separación se envía gases de escape evitando su participación en
con compresión con enfriamiento intermedio, n el primer ciclo de Brayton y anidado con un de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante
on transmite al primer ciclo de Brayton energía ente de gases de escape;
n proporciona al segundo ciclo de Brayton O2
n de NOx a la atmósfera por la separación de
l método, la energía mecánica neta producida obrealimentar el segundo ciclo de Brayton.
método, el primer ciclo de Brayton produce O2 ativamente, el primer ciclo de Brayton produce on el que se diluye el O2 puede obtenerse del a combustión con hidrocarburo en el segundo
del método, siempre hay una etapa de mpresión.
del método, se recupera calor de todas las de los ciclos de Brayton primero y segundo nfriamiento.
método, la energía mecánica producida por el para comprimir CO2 producido hasta licuarlo. asta al menos 7,5 MPa. Además, el segundo n un ciclo de Otto, y el método comprende lado en conductos del motor.
ciclo de Brayton está anidado con un ciclo el CO2, permitiendo la descarga de CO2 y la leándose este último como gas de arrastre en O2.
el método comprende además un ciclo de ensamente el O2 sustancialmente puro, o el O2 diluido con CO2, antes de una compresión Según una realización preferida, e producido. Dicho CO2 licuado puede usars del motor y/o puede transferirse a un surtid A continuación, se proporciona
preferidas de la presente invención, hacien de ilustrar adicionalmente, y no de limitar invención.
Realización 1: Motor de encendido provoc de gases contaminantes y sin captura de C La realización 1 está indicada pa mezcla premezclada (homogénea) sin cap proceso de combustión por deflagración, de la mezcla, para la producción de potenci El grado de carga (porcentaje del p producción de O2 en la membrana MIEC eliminar el uso de válvulas de mariposa par La temperatura de combustión s comburente (O2) y combustible (HxCyOz combustión y pre-enfriado. Esto evita el estándar en los SI actuales).
En la realización 1 no se propone proporciona una mejora de la eficiencia en y elimina las emisiones de gases conta (cámara de combustión) y en la membr postratamiento para limpieza de los ga considerable del coste de producción de postratamiento para la limpieza de gases moto-propulsor. Además, debido a la oxic emisiones de gases contaminantes dura sucede en los motores actuales, debido a grandes sistemas de postratamiento neces La realización 1 se ha representa atmosférico entra al motor a través de un fi El compresor C2 (2) forma parte de un turb posterior.
l método comprende almacenar CO2 licuado e para bombear combustible hacia los cilindros or de una red logística de CO2 externa.
una descripción detallada de realizaciones do referencia a las figuras adjuntas, con el fin r, las enseñanzas divulgadas por la presente
ado (SI) de mezcla premezclada sin emisiones O2
ra motores de encendido provocado (SI) de tura de CO2. La realización 1 se basa en un con velocidad subsónica y sin auto-encendido ia mecánica neta.
ar máximo) del motor se controla por la tasa de (6). Esto reduce las pérdidas de bombeo al ra estrangular el flujo de aire.
e controla por la dilución de la mezcla de ) con CO2 y H2O procedente de la propia uso de combustible para esta tarea (práctica
capturar el CO2 emitido por el motor. Pero ergética con respecto a los motores SI actuales minantes (CO, THC, PM y NOx) en origen ana MIEC (6), minimizando la necesidad de ses de escape, lo que supone un ahorro l motor. En la actualidad se estima que el es del orden del 30% del coste total del grupo ombustión se garantiza que se minimizan las nte el proceso de arranque en frío. Esto no l tiempo necesario para calentar (activar) los arios para la limpieza de gases de escape.
do en la figura 1. En la realización 1 el aire iltro (1) succionado por un compresor (C2) (2). ogrupo y está acoplado mecánicamente a una turbina de geometría variable (VGT2) (8). energía que recupera la turbina VGT2 (8) d MIEC (6); y el CO2 y H2O no recirculados circulan por el conducto que sale de una m conducto proveniente del rechazo de la m el aire a la salida del compresor C2 (2) tien 473 K (199,85°C) aproximadamente. El air motor con agua (en inglés: “water-cooler of enfriador WCAC (3) la temperatura descien que hace más isoterma la compresión post Posteriormente se succiona el aire motor. En la realización 1 se representa u son 2 cilindros los que succionan el aire. L comprimiendo el aire hasta aproximadame cilindros (4) son preferiblemente idénticos cigüeñal (25), el árbol de levas y la distribu no se les inyecta combustible. Al ser un mo en el interior de los primeros cilindros (4) c de refrigeración del motor (aproximadame hacer más isoterma la compresión. Estos de arranque del conjunto de turbomáquina turbinas del ciclo. Para ello se mueven, ha arranque convencional de los usados en los A la salida de los primeros cilin regenerador (23) que baja su presión ha aproximadamente 573 K (299,85°C), usan CO2, H2O y N2. Este flujo de N2, CO2 y H2O de la turbina VGT2 (8). Este flujo de N2, C del caudal total de gases trasegados por aproximada de 800 K (526,85°C) y una regenerador (23) el aire se calienta en un hasta 0,85 MPa y eleva su temperatura usando para ello la energía térmica del O2 gases de escape usados para arrastrar el bajar la presión parcial del O2 en la cámara A la salida del segundo regenera El compresor C2 (2) trasiega aire usando la el N2, CO2 y H2O rechazados en la membrana a los segundos cilindros (14) del motor, que embrana MIEC catalítica (15) y confluye con el embrana MIEC (6). En condiciones nominales e una presión y una temperatura de 0,4 MPa y ire pasa por un primer enfriador de carga del f air charge”, WCAC) (3). A la salida del primer de hasta 323 K (49,85°C) aproximadamente lo erior en los primeros cilindros (4) del motor.
por la mitad de los primeros cilindros (4) del n motor de 4 cilindros y 4 tiempos, con lo que os primeros cilindros (4) actúan como bombas nte 0,9 MPa y 473 K (199,85°C). Los primeros al resto de cilindros del motor compartiendo el ución, y teniendo como única singularidad que otor de 4 tiempos el aire permanece 4 carreras on lo que se comprime y se enfría con el agua ente a 363 K (89,85°C)) lo que contribuye a primeros cilindros (4) funcionan como sistema s, para poner en marcha el flujo de aire y las asta el arranque del sistema, por un motor de s motores alternativos.
dros (4) el aire se calienta en un primer sta 0,87 MPa y eleva su temperatura hasta do para ello la energía térmica de un flujo de sale por el conducto (30) situado aguas abajo O2 y H2O supone aproximadamente el 100% r el motor y se encuentra a una temperatura presión de 0,1 MPa. A la salida del primer segundo regenerador (5) que baja su presión hasta aproximadamente 673 K (399,85°C), producido por la membrana MIEC (6) y de los O2 intercambiado en la membrana MIEC (6) y de arrastre.
dor (5) el aire se calienta de nuevo en una membrana MIEC catalítica (15) (esta mem oxidación completa del CO y los HC a C presión hasta 0,8 MPa y eleva su temperat usando para ello la energía térmica de lo segundos cilindros (14). En la membrana M su calor al aire (actúa como regenerador) y el flujo de gases está compuesto únicamen 20% la necesidad de postratamiento para l flujo de gases de escape supone aproxima escape trasegados por el motor. Tras la m de presión entra en la membrana MIEC (6) membrana MIEC (6) (aproximadamente 1 calor con los gases de escape que prov segundos cilindros (14) y que se usan par MIEC (6). Este flujo de gases de escape q los segundos cilindros (14) supone aproxi escape.
El rechazo de la membrana MIEC ( K (899,85°C); supone aproximadamente
sistema y pasa por una turbina VGT1 (71) VGT1 (71) y la válvula de control (72) f compresor C1 (10), al cual está unida me VGT1 (71) valoriza energéticamente el fluj recuperando su energía para mover el c regula el flujo de energía al compresor
mezcla de CO2, H2O y O2 que proviene d (6). El compresor C1 (10) trasiega aproxim Como consecuencia, la válvula de control diluir el O2 y, por ende, la temperatura de combustión. En conclusión, la temperatura de los segundos cilindros (14), se regula p aproximado de 1273 K (999,85°C) en condi Normalmente, la válvula de control la presión del compresor C1 (10). Una part circula a través de la turbina VGT1 (71), e N2 rechazado circula a través de la propia brana presenta un catalizador que favorece la O2 y H2O con el O2 del entorno) que baja su tura hasta aproximadamente 723 K (449,85°C), s gases de escape de la combustión de los IEC catalítica (15) los gases de escape ceden y tanto CO como HC se oxidan hasta que todo nte por CO2 y H2O. De este modo se reduce al limpieza de gases de este motor, ya que este adamente el 20% del caudal total de gases de embrana MIEC catalítica (15) el aire a 0,8 MPa donde alcanza la temperatura de trabajo de la 173 K (899,85°C)) gracias al intercambio de vienen del proceso de oxicombustión de los ra barrer el O2 intercambiado en la membrana ue provienen del proceso de oxicombustión de imadamente el 80% del caudal de gases de
(6) es fundamentalmente N2 a 0,8 MPa y 1173 el 80% de la masa de gas trasegada por el ) o por una válvula de control (72). La turbina forman parte de un turbogrupo junto con el cánicamente la turbina VGT1 (71). La turbina o de N2 rechazado de la membrana MIEC (6), ompresor C1 (10). La válvula de control (72) C1 (10). El compresor C1 (10) trasiega una e la salida del arrastre de la membrana MIEC adamente el 95% del flujo de gases del motor. (72) regula el flujo de CO2 y H2O usado para combustión y de los gases de escape de la de los gases de escape del motor, a la salida or la válvula de control (72); y lo es a un valor iciones nominales.
(72) trabaja parcialmente abierta para regular te del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) xpandiéndose y enfriándose. La otra parte del válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra parte del N2 se mezcla aguas abajo de la recalentándolo, y en consecuencia aument Tras pasar por la válvula de control la membrana MIEC (6) (aproximadamente y H2O que provienen de la segunda válvul en la turbina de geometría variable VGT2 ( Las condiciones nominales aproximadas d 873 K (599,85°C). La geometría variable d grado de carga del motor de combustión.
el flujo de aire a través de la membrana MI MIEC (6). Por lo tanto, aumenta la producc que se puede inyectar en condiciones est turbina VGT2 (8) se abre. El tamaño mínim elige en consonancia con la cilindrada del del sistema a cada régimen de giro del mot determina la carga mínima (en vacío) del turbina VGT2 (8) también puede compren turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se (2) se reduce a cero, con lo cual se reduc MIEC como el caudal de aire trasegado.
Si se desea reducir aún más la carg abre la válvula de control (72) evitando la compresor C1 (10) se reduce a cero. En es (en los que se encuentra el CO2) hacia l parcial del O2 a ambos lados de la membr de O2 dejando en vacío la carga del motor A la salida de la turbina VGT2 (8) MPa y temperatura de 800 K (526,85°C), a regenerador (23) para ceder su calor al ai (exenta de gases nocivos para la salud) a l La mezcla del O2, intercambiado p usados para arrastrar y bajar la pres correspondiente de la membrana MIEC combustión, succionada por el compresor temperatura nominales aproximadamen respectivamente, y supone aproximadame turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, ando su temperatura.
(72) y/o por la turbina (71) el N2 de rechazo de el 80% del flujo de aire) se mezcla con el CO2 la antirretorno (19) y ambos flujos se valorizan 8) que se usa para mover el compresor C2 (2). e entrada a la turbina VGT2 (8) son 0,3 MPa y e la turbina VGT2 (8) se utiliza para regular el Cuando la turbina VGT2 (8) se cierra aumenta IEC (6) y la presión de trabajo en la membrana ión horaria de O2 y la cantidad de combustible equiométricas. Sucede a la inversa cuando la o (apertura mínima) de la turbina VGT2 (8) se motor alternativo para fijar la potencia máxima tor. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) motor alternativo a cada régimen de giro. La der una válvula de alivio (o WG). Cuando la abren al máximo la energía del compresor C2 en tanto la presión de trabajo de la membrana
a del motor, hasta bajarla a cero, entonces se turbina VGT1 (71) con lo que la energía del te caso se detiene el flujo de gases de escape a membrana MIEC (6). Esto iguala la presión rana MIEC (6) y detiene el flujo de producción de esta realización 1.
la mezcla de N2, CO2 y H2O a presión de 0,1 proximadamente, se hace pasar por el primer ire antes de descargar esta mezcla de gases a atmósfera.
or la membrana MIEC (6), y del CO2 y H2O, ión parcial del O2, salen por el extremo (6), hacia los segundos cilindros (14) de r C1 (10). Esta mezcla sale a una presión y te de 0,3 MPa y 1173 K (899,85°C) nte el 105% del caudal de aire trasegado por el motor. El calor de la mezcla de CO2, H regenerador (5) para calentar el aire a la del segundo regenerador (5) tiene unas (399,85°C) aproximadamente. Esta corrie variable (VGT3) (16) a la salida del segun compresor (C3) (12) acoplado mecánicam se usa para sobrealimentar los se sobrealimentadores al uso, usando la ene turbina VGT3 (16) se cierra para mantener C3 (12) a un valor nominal de 0,6 MPa motor. A la salida de la turbina VGT3 ( aproximadamente 0,1 MPa y 473 K (199 hacia los segundos cilindros (14) se enfría K (49,85°C). A continuación, se comprime K (199,85°C) siendo las condiciones del c de control (72) para mantener la temperat 1273 K (999,85°C), como ya se ha descrit de CO2, H2O y O2 se enfría de nuevo hasta (11) y se comprime en el compresor C3 (1 se usa la energía de la turbina VGT3 (16) C3 (12) igual al 0,6 MPa, como ya se ha enfriar en un cuarto enfriador WCAC (13) h los segundos cilindros (14), que en esta r motor de 4 cilindros y cuatro tiempos que s al principio de la descripción de la presente En los segundos cilindros (14) se bomba de combustible (26), a la mezcla de con el O2. En dichos segundos cilindr premezclada de encendido provocado y si producen energía para mover los primer membrana MIEC (6) pues están acoplad cilindros (14) producen un excedente de en vehículo al que se acopla el motor, o el requiera un aporte de energía mecánica a t también funcionan como sistema de arranq en marcha el flujo de aire; de O2 y las tu 2O y O2 se recupera primero en el segundo salida del primer regenerador (23). A la salida condiciones nominales de 0,25 MPa y 673 K nte se valoriza en una turbina de geometría do regenerador (5) que se usa para mover un ente en otro turbogrupo. El compresor C3 (12) gundos cilindros (14), como los turborgía recuperada por la turbina VGT3 (16). La constante la presión a la salida del compresor en cualquier condición de funcionamiento del (16) las condiciones nominales del flujo son ,85°C). La mezcla comburente que continúa en un segundo enfriador WCAC (9) hasta 323 en el compresor C1 (10) hasta 0,3 MPa y 473 ompresor C1 (10) las impuestas por la válvula tura de los gases de escape alrededor de los to. Después del compresor C1 (10), la mezcla 323 K (49,85°C) en un tercer enfriador WCAC 2) hasta 0,6 MPa y 473 K (199,85°C). Para ello que regula la presión a la salida del compresor descrito. Finalmente, la mezcla se vuelve a asta 323 K (49,85°C) antes de succionarse por ealización son 2 por ser la mitad de los de un e ha usado como ejemplo; como se estableció realización.
inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una CO2, H2O y O2 en proporción estequiométrica os (14) se realiza un ciclo de combustión imilar al ciclo Otto. Los segundos cilindros (14) os cilindros (4) que trasiegan el aire para la os en el mismo cigüeñal (25). Los segundos ergía mecánica neta que se usa para mover el generador eléctrico o cualquier aplicación que través de un eje. Estos segundos cilindros (14) ue del conjunto de turbomáquinas, para poner rbomáquinas del ciclo. Para ello se mueven, hasta el arranque del sistema, por un mot los motores alternativos. Así, tanto los prim (14) funcionan como sistema de arranque por un motor de arranque convencional.
Las cesiones de calor al agua de lo tercero (11) y cuarto (13) más el calor ce regeneradores primero (23), segundo (5) descarga a la atmosfera del excedente
escape no recirculados), a través de la bif (19), suponen la cesión total de calor termodinámico propuesto cumpla el segu tanto, viable. A su vez las cesiones de segundo (9), tercero (11) y cuarto (13) regeneradores primero (23), segundo (5) minimizar la destrucción de exergía del
hacer el proceso de compresión global del recuperar la energía de los gases de escap a la compresión isoterma y el uso de regen sistema acercan el ciclo del N2, separado con igual rendimiento al de Carnot conocid CO2+H2O+O2 se puede asimilar a un ci expansiones intermedias, pero anidado co cosa no descrita hasta ahora en la biblio cerrado anidado con el ciclo de Otto y bina éste cumple los preceptos termodinámicos máxima, como el ciclo Ericsson) es una no los preceptos del otro ciclo ideal de eficienc Finalmente, como resultado de la c la mezcla comburente (CO2, H2O, O2) se (14) una mezcla de CO2, H2O, y, en menor La parte no recirculada de gases d descargarse a la entrada de la tur aproximadamente el 20% de los gases de e hidrocarburos totales (THC) sin quemar. arriba de la segunda válvula antirretorno ( (15) a la que los gases de escape entra or de arranque convencional de los usados en eros cilindros (4) como los segundos cilindros y se mueven, hasta el arranque del sistema,
s enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), dido en las regeneraciones (producidas en los ) y en la MIEC catalítica (15)) junto con la de gases de escape (es decir, los gases de urcación (29) y la segunda válvula antirretorno al foco frío necesaria para que el ciclo ndo principio de la termodinámica y sea, por calor en los enfriadores WCAC primero (3), y en las regeneraciones (producidas en los y en la MIEC catalítica (15)) contribuyen a ciclo termodinámico debido, por una parte, a l fluido de trabajo más isotérmico y por otra a pe para la separación del aire. El acercamiento eradores para extraer el calor de los gases del del aire en la membrana MIEC (6), a un ciclo o como ciclo Ericsson. El ciclo de la mezcla de clo de Brayton cerrado con compresiones y n un ciclo Otto en los segundos cilindros (14); grafía. En esencia el ciclo de Brayton cuasirio con el de N2 (enviando calor al ciclo del N2 para aproximarse a un ciclo ideal de eficiencia vedosa realización de ciclo binario, que cumple ia máxima, el de Carnot.
ombustión del hidrocarburo (combustible) con produce a la salida de los segundos cilindros medida, THC sin quemar y CO.
e escape se deriva por la bifurcación (29) para bina VGT2 (8). Este excedente supone escape, que son una mezcla de CO2, H2O, CO . Aguas abajo de la bifurcación (29) y aguas 19) se encuentra la membrana MIEC catalítica n a una temperatura aproximada de 1273 K (999,85°C) y ceden su calor al 100% del flu temperatura baja mucho, hasta aproxima debido a las reacciones químicas que se p se oxidan el CO y los THC con el O2 sobra H2O y CO2. Nuevamente, debido a que la los segundos cilindros (14), la mezcla de (15) se encuentra libre de gases nocivos mezcla se descarga sin ningún gas nocivo Aguas abajo de la membrana MIE descarga a través de una segunda válvul VGT2 (8). La segunda válvula antirretorno 0,11 MPa y sirve para evitar que durante l a la mezcla de gases comburentes. Aguas se forma por lo tanto un volumen cerrado y formado por un circuito de conductos acumulación de mezcla comburente de
mezcla acumulada facilita el arranque pos de O2 producido por la membrana MIE combustión en los segundos cilindros (14 finalmente a la atmósfera a través del con regenerador (23) para extraer su calor, com El resto de los gases de escape
recirculados) supone aproximadamente el excedente se succiona por el compresor segundos cilindros (14) para pasar a travé MIEC (6) los gases de escape recirculados, barrer y bajar la presión parcial del O2 productividad de la membrana MIEC (6); reducir la proporción de O2 en la mezcl temperatura de los gases de combustión, los segundos cilindros (14). De esta forma, el ciclo y la mezcla vuelve a la entrada d calor al aire.
En el proceso descrito el motor funci dosado siempre cercano al estequiométric flujo, sino modulando el aire trasegado po jo de aire que trasiega el motor, con lo cual su damente los 623 K (349,85°C). A la vez, y roducen en la membrana MIEC catalítica (15) nte de la combustión hasta conformar vapor de oxicombustión evita la producción de NOx en H2O y CO2 formada en la membrana catalítica (sin CO, sin THC y sin NOx). Por lo tanto, la para la salud.
C catalítica (15) la mezcla de CO2 y H2O se la antirretorno (19) a la entrada de la turbina (19) está tarada a una presión aproximada de os procesos transitorios pueda entrar aire o N2 arriba de la segunda válvula antirretorno (19) separado de la atmósfera. Este volumen está libres de N2 que actúa como sistema de CO2+H2O+O2 tras la parada del motor. Esta terior del motor, pues ya existe un excedente C (6), que puede usarse para arrancar la ). La mezcla de N2, CO2 y H2O se descarga ducto (30) pasando previamente por el primer o ya se ha descrito.
no excedente (es decir, los gases de escape 80% del caudal de los mismos. Esta mezcla no C1 (10), el compresor C3 (12) y los propios s de la membrana MIEC (6). En la membrana , por una parte, cumplen la función indirecta de que atraviesa la membrana para mejorar la por otra parte, cumple la función directa de a comburente. De este modo se controla la alrededor de 1273 K (999,85°C), a la salida de a la salida de la membrana MIEC (6) se cierra el segundo regenerador (5) para transmitir su
iona de manera eficiente tanto por mantener el o como por regular su carga sin estrangular el r el compresor C2 (2) y la productividad de la membrana. La productividad de O2 respon motor pues los primeros cilindros (4) está con los segundos cilindros (14). Por tanto, retraso de los turbogrupos (“turbocharger sobrealimentados. Finalmente, el motor sól H2O provenientes de la segunda válvula a provenientes de la salida de la turbina VG para la salud que afecte perjudicialmente al
Realización 2: Motor de encendido provoca de gases contaminantes y con captura de C La realización 2 está indicada par mezcla premezclada (homogénea) con c tanto, se encuentra dentro de la categoría (tasa de emisiones < 0). La realización 2 deflagración, con velocidad subsónica y producción de potencia mecánica neta.
El grado de carga (porcentaje del pa producción de O2 en la membrana MIEC eliminar el uso de válvulas de mariposa par La temperatura de combustión se comburente (O2) y combustible (HxCyOz combustión y pre-enfriado. Esto evita el
estándar en los SI actuales a alto régimen d La realización 2 propone capturar contenido en CO2 atmosférico de la form emisiones de gases contaminantes (CO, combustión) o en la membrana MIEC mini limpieza de los gases de escape, lo que producción del motor. En la actualidad se de gases es del orden del 30% del coste to a la oxicombustión se garantiza que tampo proceso de arranque en frío. Esto no suce necesario para calentar (activar) los siste gases de escape.
La realización 2 se ha representad nde instantáneamente a las aceleraciones del n acoplados mecánicamente en el mismo eje , la respuesta dinámica del motor no sufre el r-lag” en inglés) típico de los motores turbolo emite a la atmósfera una mezcla de: CO2 y ntirretorno (19); y N2, H2O y CO2 atmosféricos T2 (8). Es decir no emite ningún gas nocivo l proceso respiratorio de personas y animales.
ado (SI) de mezcla premezclada sin emisiones O2 producido y retirada de CO2 atmosférico
ra motores de encendido provocado (SI) de aptura de CO2 atmosférico y producido. Por de motores que retiran CO2 de la atmósfera se basa en un proceso de combustión por sin auto-encendido de la mezcla, para la
ar máximo) del motor se controla por la tasa de (6). Esto reduce las pérdidas de bombeo al ra estrangular el flujo de aire.
e controla por la dilución de la mezcla de ) con CO2 y H2O procedente de la propia uso de combustible para esta tarea (práctica de giro y máxima potencia).
r el CO2 emitido por el motor y reducir el a más eficiente posible. Además, elimina las , THC, PM y NOx) en origen (cámara de imizando la necesidad de postratamiento para supone un ahorro considerable del coste de estima que el postratamiento para la limpieza otal del grupo moto-propulsor. Además, debido co se emiten gases contaminantes durante el de en los motores actuales, debido al tiempo emas de postratamiento para la limpieza de
do en las figuras 2a y 2b dependiendo de la tecnología usada para extraer el CO2 de l atmosférico entra al motor a través de un fil El compresor C2 (2) forma parte de un turb turbina de geometría variable (VGT2) (8). energía que recupera la turbina VGT2 (8) d (6) en el caso de la figura 2a, o del N2+H2 en el caso de la figura 2b. En condiciones (2) tiene una presión y una temper aproximadamente. El aire pasa por un pr (WCAC) (3). A la salida del primer enfriad 323 K (49,85°C) aproximadamente, lo que los primeros cilindros (4) del motor.
En la realización de la figura 2a el ai (28) polimérica con una selectividad global de trabajo a la salida del primer enfriador gracias a que el CO2 que atraviesa la
procedente de un separador (17) que b permeado en la membrana de CO2 (28).
usada para barrer la membrana de CO2 (2 la combustión en unos medios para llevar a Concretamente, esto se produce a la salid muestra en la figura 5a, que representa el d más adelante.
En otra realización preferente mostr ninguna membrana de CO2 a la salida del contenido en CO2 del aire no cambia. Para se recoge aguas abajo.
Posteriormente se succiona el aire realización 2 se representa un motor de 5 succionan el aire. Los primeros cilindros ( hasta aproximadamente 0,9 MPa y 473
preferiblemente idénticos al resto de cilindr árbol de levas y la distribución, y teniendo combustible. Al ser un motor de 4 tiempos los primeros cilindros (4) con lo que se com del motor (aproximadamente a 363 K (89,8 la corriente de aire. En la realización 2 el aire iltro (1) succionado por un compresor (C2) (2). ogrupo y está acoplado mecánicamente a una El compresor C2 (2) trasiega aire usando la del N2+H2O rechazados en la membrana MIEC O rechazados en una membrana de CO2 (28) nominales el aire a la salida del compresor C2 atura de 0,4 MPa y 473 K (199,85°C) rimer enfriador de carga del motor con agua or WCAC (3) la temperatura desciende hasta hace más isoterma la compresión posterior en
ire se limpia de CO2 en una membrana de CO2 CO2/N2 de alrededor de 2000 a la temperatura WCAC (3). Esto se consigue en la figura 2a membrana se arrastra por el vapor de agua baja la presión parcial del CO2 atmosférico En la figura 2a, el CO2 atmosférico y el agua 8) se unen a la corriente de O2 y productos de a cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) (21). a de un quinto enfriador WCAC (31) como se detalle interno del ciclo CBV y que se explicará
rada en la figura 2b el aire no se encuentra con l primer enfriador WCAC (3) y, por lo tanto, el esta otra versión de la realización 2 este CO2
por los primeros cilindros (4) del motor. En la cilindros y 4 tiempos, y son 2 cilindros los que 4) actúan como bombas comprimiendo el aire K (199,85°C). Los primeros cilindros (4) son ros del motor compartiendo el cigüeñal (25), el como única singularidad que no se les inyecta el aire permanece 4 carreras en el interior de prime y se enfría con el agua de refrigeración 85°C)) lo que contribuye a hacer más isoterma la compresión. Estos primeros cilindros ( conjunto de turbomáquinas, para poner en Para ello se mueven, hasta el arranqu convencional de los usados en los motores A la salida de los primeros cilin regenerador (23) que baja su presión ha aproximadamente 573 K (299,85°C), usan CO2 y de H2O a la salida de un pistón adi (23) el aire se calienta en un tercer regener y eleva su temperatura hasta aproximada energía térmica de un flujo de N2 a una te una presión de 0,1 MPa procedente de la s A la salida del tercer regenerador membrana MIEC catalítica (15) que baj temperatura hasta aproximadamente 723 térmica de los gases de escape de la com membrana MIEC catalítica (15) los gases regenerador) y tanto CO como HC se o compuesto únicamente por CO2 y H2O. De postratamiento para limpieza de gases de escape supone aproximadamente el 20% d por el motor. Tras la membrana MIEC cat segundo regenerador (5) que baja su pr hasta aproximadamente 873 K (599,85°C) obtenido del aire por la membrana MIEC atraviesa la membrana MIEC (6) y bajar arrastre.
Tras el segundo regenerador (5), el en la membrana MIEC (6) de O2 dond membrana MIEC (6) (aproximadamente 1 calor con el CO2 y el H2O que proviene del barrer el lado del O2.
En el caso de la realización de la fig en la membrana MIEC (6) de O2 entra, a ap en una membrana de CO2 (28) (basada global CO2/N2 de alrededor de 2500 a la te (4) funcionan como sistema de arranque del marcha el flujo de aire y las turbinas del ciclo. e del sistema, por un motor de arranque alternativos.
dros (4) el aire se calienta en un primer sta 0,87 MPa y eleva su temperatura hasta do para ello la energía térmica de un flujo de icional (22). A la salida del primer regenerador rador (24) que baja su presión hasta 0,85 MPa mente 673 K (399,85°C), usando para ello la mperatura aproximada de 800 K (526,85°C) y alida de la turbina VGT2 (8).
r (24) el aire se calienta de nuevo en una ja su presión hasta 0,8 MPa y eleva su K (449,85°C) usando para ello la energía bustión de los segundos cilindros (14). En la de escape ceden su calor al aire (actúa como xidan hasta que todo el flujo de gases está este modo se reduce al 20% la necesidad de e este motor; ya que este flujo de gases de el caudal total de gases de escape trasegados alítica (15) el aire se calienta de nuevo en un esión hasta 0,8 MPa y eleva su temperatura ) usando para ello la energía térmica del O2 (6) y del CO2 usado para arrastrar el O2 que r la presión parcial del O2 en la cámara de
l aire a 0,8 MPa y 873 K (599,85°C) se inyecta de alcanza la temperatura de trabajo de la 173 K (899,85°C)) gracias al intercambio de l proceso de oxicombustión y que se usa para
gura 2b, el aire empobrecido en O2, rechazado proximadamente 1173 K (899,85°C) y 0,8 MPa, en carbonatos fundidos con una selectividad mperatura de trabajo) donde se separa el CO2 atmosférico de la corriente de N2+H2O. Es por el vapor de agua procedente del sepa atmosférico permeado en la membrana. E une a la mezcla del O2 producido por procedentes de la combustión de los seg membrana MIEC (6) y bajar la presión parc En la otra versión de la realización de la membrana MIEC(6) de O2 no se enc CO2, porque el aire ya se ha limpiado prev tal y como se ha explicado previamente.
El rechazo de la membrana MIEC figura 2a, y el rechazo de la membrana d están ambos prácticamente libres de CO2 MPa y 1173 K (899,85°C). Cada uno de 80% de la masa de aire trasegada por el (71) y/o por la válvula de control (72).
La turbina VGT1 (71) y la válvula junto con el compresor C1 (10), al cual est La turbina VGT1 (71) valoriza energéticam MIEC (6), recuperando su energía para mo (72) regula el flujo de energía al compresor de barrido de la membrana MIEC (6), por l El compresor C1 (10) trasiega aproximad Como consecuencia, la válvula de control diluir el O2 y, por ende, la temperatura de combustión. En conclusión, la temperatura de los segundos cilindros (14), se regula p aproximado de 1273 K (999,85°C) en condi Normalmente, la válvula de control la presión del compresor C1 (10). Una part circula a través de la turbina VGT1 (71), e N2 rechazado circula a través de la propia parte del N2 se mezcla aguas abajo de la recalentándolo, y en consecuencia aument Tras pasar por la válvula de contr rechazo de las membranas MIEC (el 80% to se consigue gracias a que el CO2 se barre rador (17) que baja la presión parcial del CO2 n la figura 2b, el CO2 atmosférico permeado se la membrana MIEC (6) y del CO2 y H2O undos cilindros (14) y usados para barrer la ial del O2.
preferente mostrada en la figura 2a, el rechazo uentra aguas abajo con ninguna membrana de iamente de CO2 en la membrana de CO2 (28),
(6) de O2, en el caso de la realización de la e CO2 (28), en la realización de la figura 2b, atmosférico y son N2+H2O atmosféricos a 0,75 dichos rechazos, supone aproximadamente el sistema y se hace pasar por la turbina VGT1
de control (72) forman parte de un turbogrupo tá unida mecánicamente la turbina VGT1 (71). ente el flujo de N2 rechazado de la membrana ver el compresor C1 (10). La válvula de control r C1 (10). El compresor C1 (10) trasiega el CO2 o tanto trasiega una mezcla de CO2, H2O y O2. amente el 95% del flujo de gases del motor. (72) regula el flujo de CO2 y H2O usado para combustión y de los gases de escape de la de los gases de escape del motor, a la salida or la válvula de control (72); y lo es a un valor iciones nominales.
(72) trabaja parcialmente abierta para regular te del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) xpandiéndose y enfriándose. La otra parte del válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, ando su temperatura.
rol (72) y/o por la turbina (71) el N2+H2O de del flujo de aire) se valoriza en la turbina de geometría variable VGT2 (8) que se u condiciones nominales aproximadas de ent K (549,85°C). La geometría variable de la t de carga del motor de combustión. Cuando de aire a través de la membrana MIEC (6) (6). Por lo tanto aumenta la producción hor puede inyectar en condiciones estequiomé VGT2 (8) se abre. El tamaño mínimo (apert consonancia con la cilindrada del motor sistema a cada régimen de giro del motor determina la carga mínima (en vacío) del turbina VGT2 (8) también puede compren turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se (2) se reduce a cero con lo cual se reduce MIEC como el caudal de aire trasegado co Si se desea reducir aún más la car abre la válvula de control (72) evitando la compresor C1 (10) se reduce a cero. En es la membrana MIEC (6). Esto iguala la
membrana MIEC (6) y detiene el flujo de p motor de esta realización 2.
A la salida de la turbina VGT2 (8) l temperatura de 800 K (526,85°C), apro regenerador (24) para ceder su calor al ai (exenta de gases nocivos para la salud) a l La mezcla del O2 intercambiado p usados para barrer y bajar la presión parci el extremo correspondiente de la membra de combustión, succionada por el compres basada en membranas de carbonatos fun 2b), es en este punto (a la salida de la me del O2 intercambiado por la membrana MI bajar la presión parcial del O2 que atravies atmosférico y el vapor de agua usado par temperatura nominales aproximadamen respectivamente; y supone aproximadame sa para mover el compresor C2 (2). Las trada a la turbina VGT2 (8) son 0,3 MPa y 823 urbina VGT2 (8) se utiliza para regular el grado la turbina VGT2 (8) se cierra aumenta el flujo y la presión de trabajo en la membrana MIEC aria de O2 y la cantidad de combustible que se tricas. Sucede a la inversa cuando la turbina tura mínima) de la turbina VGT2 (8) se elige en alternativo para fijar la potencia máxima del r. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) motor alternativo a cada régimen de giro. La der una válvula de alivio (o WG). Cuando la abren al máximo la energía del compresor C2 n tanto la presión de trabajo de la membrana nsiderablemente.
ga del motor hasta bajarla a cero, entonces se turbina VGT1 (71) con lo que la energía del te caso se detiene el flujo de CO2 y H2O hacia presión parcial del O2 a ambos lados de la roducción de O2 dejando en vacío la carga del
a mezcla de N2 y H2O a presión de 0,1 MPa y ximadamente, se hace pasar por el tercer ire antes de descargar esta mezcla de gases a atmósfera.
or la membrana MIEC (6) y del CO2 y H2O, al del O2 que atraviesa la membrana, salen por na MIEC (6), hacia los segundos cilindros (14) or C1 (10). Para la versión de la realización 2 didos para recoger el CO2 atmosférico (figura mbrana MIEC (6)) donde dicha mezcla (mezcla EC (6) y del CO2 y H2O, usados para barrer y a la membrana) se mezcla a su vez con el CO2 ra barrerlo. Esta mezcla sale a una presión y te de 0,1 MPa y 1173 K (899,85°C) nte el 80% del caudal de aire trasegado por el motor. El calor de la mezcla de CO2, H2 regenerador (5) para calentar el aire a la s salida del segundo regenerador (5) tiene u K (449,85°C) aproximadamente.
Seguidamente la mezcla fluye a tra de Brayton a vacío (CBV) (21). Los medios (CBV) (21) tienen la función de enfriar presión y recuperando la pérdida de presió medios para llevar a cabo un ciclo de Bray una turbina VGT3 (16) acoplada mecánic forma un turbogrupo. Entre la salida de la C3 (12) hay un quinto enfriador WCAC (3 basa en membranas poliméricas para re salida del quinto enfriador WCAC (31) dond el CO2 atmosférico y el agua usado para
forma parte de la mezcla comburente en e llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío (C de funcionamiento en el diagrama T-s de l expande para valorizarse energéticamente enfriador WCAC (31), sufriendo una lige compresor C3 (12), acoplado mecánicame compresor C3 (12) la mezcla está más fría VGT3 (16).
Las condiciones nominales de la m (12) son aproximadamente 0,1 MPa y 52 continúa su camino hacia los segundos cil WCAC (9) hasta 323 K (49,85°C). A conti hasta 0,3 MPa y 473 K (199,85°C) siend impuestas por la válvula de control (72) p escape alrededor de los 1273 K (999,8 compresor C1 (10) la mezcla de CO2, H2O WCAC (11) hasta 323 K (49,85°C) antes d Estos cilindros son 2 de los 5 que tiene el como se estableció al principio de la descri En los segundos cilindros (14) se bomba de combustible (26), a la mezcla 2O y O2 se recupera primero en el segundo alida de la membrana MIEC catalítica (15). A la nas condiciones nominales de 0,08 MPa y 723
vés de unos medios para llevar a cabo un ciclo para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío la mezcla transformando su temperatura en n causada por el segundo regenerador (5). Los yton a vacío (CBV) (21) están compuestos por amente con un compresor C3 (12) con el que turbina VGT3 (16) y la entrada del compresor 1). Para la versión de la realización 2 que se coger el CO2 atmosférico (figura 2a), es a la e se mezcla el O2 y CO2 de la combustión con barrerlo. En la figura 2b el CO2 atmosférico ya ste punto. El detalle interno de los medios para BV) (21) puede verse en la figura 5a y su ciclo la figura 5b). La mezcla de CO2, H2O y O2 se en la turbina VGT3 (16); se enfría en el quinto ra pérdida de carga, y se comprime en el nte con la turbina VGT3 (16). A la salida del y a más presión que a la entrada de la turbina
ezcla comburente a la salida del compresor C3 3 K (249,85°C). La mezcla comburente, que lindros (14), se enfría en el segundo enfriador nuación se comprime en el compresor C1 (10) o las condiciones del compresor C1 (10) las ara mantener la temperatura de los gases de 5°C), como ya se ha descrito. Después del y O2 se vuelve a enfriar en el tercer enfriador e succionarse por los segundos cilindros (14). motor de cuatro tiempos usado como ejemplo; pción de la realización 2.
inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una comburente de CO2, H2O y O2 en proporción estequiométrica con el O2. En dichos se combustión premezclada de encendido pr cilindros (14) producen energía para mover para la membrana MIEC (6) y el pistón a CO2 y H2O residuales, pues están todos segundos cilindros (14) producen además se usa para mover el vehículo al que se cualquier aplicación que requiera un apor Estos segundos cilindros (14) funcionan turbomáquinas, para poner en marcha el fl mueven, hasta el arranque del sistema, p usados en los motores alternativos.
Las cesiones de calor al agua de lo tercero (11), cuarto (13), quinto (31)
regeneraciones (producidas en los regener y en la MIEC catalítica (15)) junto con la d H2O, suponen la cesión total de calor termodinámico propuesto cumpla el segu tanto, viable. A su vez las cesiones de segundo (9), tercero (11), cuarto (13), qui (producidas en los regeneradores primero catalítica (15)) contribuyen a minimizar la d debido, por una parte, a hacer el proceso isotérmico y por otra a recuperar la energí del aire. El acercamiento a la compresió extraer el calor del CO2+H2O acercan el ci con igual rendimiento al de Carnot conocid CO2+H2O+O2 se puede asimilar a un ci expansiones intermedias, pero anidado co cosa no descrita hasta ahora en la biblio cerrado anidado con el ciclo de Otto y bina éste cumple los preceptos termodinámicos máxima, como el ciclo Ericsson) es una no los preceptos del otro ciclo ideal de eficienc Como resultado de la combustión comburente (CO2, H2O, O2) se produce a gundos cilindros (14) se realiza un ciclo de ovocado y similar al ciclo Otto. Los segundos r los primeros cilindros (4) que trasiegan el aire dicional (22), que comprime para densificar el acoplados en el mismo cigüeñal (25). Los un excedente de energía mecánica neta que acopla el motor, o el generador eléctrico o rte de energía mecánica a través de un eje.
como sistema de arranque del conjunto de ujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello se or un motor de arranque convencional de los
s enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), y sexto (18) más el calor cedido en las radores primero (23), segundo (5), tercero (24) ensificación y captura del excedente de CO2 y r al foco frío necesaria para que el ciclo ndo principio de la termodinámica y sea, por calor en los enfriadores WCAC primero (3), nto (31) y sexto (18), y en las regeneraciones (23), segundo (5), tercero (24) y en la MIEC estrucción de exergía del ciclo termodinámico de compresión global del fluido de trabajo más ía de los gases de escape para la separación n isoterma y el uso de regeneradores para clo del N2 en la membrana MIEC (6) a un ciclo o como ciclo Ericsson. El ciclo de la mezcla de clo de Brayton cerrado con compresiones y n un ciclo Otto en los segundos cilindros (14); grafía. En esencia el ciclo de Brayton cuasirio con el de N2 (enviando calor al ciclo del N2 para aproximarse a un ciclo ideal de eficiencia vedosa realización de ciclo binario; que cumple ia máxima, el de Carnot.
del hidrocarburo (combustible) con la mezcla la salida de los segundos cilindros (14) una mezcla de CO2, H2O, THC sin quemar y escape se succiona por el compresor C1 ( pasar a través de la membrana MIEC (6) cumple la función de barrer y bajar la presi O2 de la membrana MIEC (6); por otra part la combustión a límites tolerables para lo interna alternativos (MCIA). De esta forma, el ciclo y la mezcla vuelve a la entrada de calor al aire. En el proceso descrito el m mantener el dosado siempre cercano al e estrangular el flujo, sino modulando la productividad de la membrana responde in pues los primeros cilindros (4) están acopl segundos cilindros (14). Por tanto, la respu por el retraso de los MCIA turbo-sobreali turbogrupo.
Por otro lado, el 20% restante de l CO2, H2O, THC sin quemar y CO, se oxid membrana MIEC catalítica (15) a la que ent (999,85°C) y ceden su calor al 100% del fluj temperatura baja mucho, hasta aproxima debido a las reacciones químicas que se pr se oxidan el CO y los THC con el O2 sobr CO2, y, nuevamente, debido a la oxicomb segundos cilindros (14). Por lo tanto, la mez salud (sin CO, sin THC y sin NOx).
A continuación, se instala una pri salida de reflujos del pistón adicional (22 cigüeñal (25) y comprime este 20% del cau de escape) hasta los 7,5 MPa. La presión válvula antirretorno (19) y su muelle de tar isoterma en las cuatro carreras del pistón admisión para succionar la mezcla de CO2 para descargarla. La mezcla comprimid temperatura de aproximadamente 673 K (3 573 K (299,85°C) que es la temperatur CO. Por un lado, el 80% de estos gases de (10) y los propios segundos cilindros (14) para ). En la membrana MIEC (6), por una parte ión parcial del O2 para mejorar el transporte de e, la mezcla con CO2 rebaja la temperatura de os materiales de los motores de combustión a la salida de la membrana MIEC (6) se cierra el segundo regenerador (5) para transmitir su otor funciona de manera eficiente tanto por stequiométrico como por regular su carga sin producción de O2 de la membrana. La stantáneamente a las aceleraciones del motor lados mecánicamente en el mismo eje con los esta dinámica del motor no está condicionada imentados, debido a la inercia mecánica del
los gases de escape, que son una mezcla de:
a con el O2 sobrante de la combustión en la tran a una temperatura aproximada de 1273 K jo de aire que trasiega el motor, con lo cual su damente los 703 K (429,85°C). A la vez, y roducen en la membrana MIEC catalítica (15), rante de la combustión hasta vapor de H2O y ustión se evita la producción de NOx en los zcla se descarga sin ningún gas nocivo para la
imera válvula antirretorno (33) para evitar la 2). El pistón adicional (22) es movido por el dal (el mencionado 20% restante de los gases de 7,5 MPa viene regulada por una segunda rado. La compresión se realiza de forma casi adicional (22), desde que abre la válvula de 2 y vapor de H2O hasta que abre la de escape a hasta los 7,5 MPa se descarga a una 99,85°C), debe mantenerse por encima de los ra de saturación del agua a 7,5 MPa para garantizar que ésta sigue en estado gas de La mezcla se enfría primero en el enfriador WCAC (13) hasta los 473 K (199, La masa de agua líquida a 7,5 MPa y 473 del caudal total de masa trasegada por separa del CO2 gas en el separador (17), válvula de laminación de presión a la salida una membrana polimérica, si el agua s separada a una presión de 0,1 MPa y 47 energéticamente usándose como fluido tra agua barre el lado del CO2, bajando su pr antirretorno (32), que conecta el circuito atmósfera, regula la presión del vapor d barométrica. Además, permite la purga a generado en las sucesivas combustiones d Tras separarse el H2O, el exceso sexto enfriador WCAC (18) por debajo de s líquido pasa a través de la segunda válvula un primer depósito (20) con temperatura Cuando este depósito se llena la autonomí temperaturas subcríticas del CO2 (< 303 K frigorífico como el que produce el aire descarga en la estación de servicio, interca CO2 líquido puede nuevamente convertirse sintéticos llamados e-Diesel, Blue-crude, et química; suministrarse como fluido refriger sumideros controlados. Pero no se emite atmosfera permite determinar que la pres netas negativas pues ha retirado CO2 atm su proceso de combustión.
Realización 3: Motor de encendido por combustión por difusión; con relación de tasa de producción de O? ; sin emisiones de La realización 3 está indicada para mezcla estratificada (combustión por difusi ntro del pistón adicional (22).
primer regenerador (23) y luego en el cuarto 85°C) con lo que el H2O pasa a estado líquido. K (199,85°C) supone aproximadamente el 2% el motor. A continuación, el agua líquida se que puede ser un separador inercial con una . También puede usarse como separador (17) e mantuviese en estado gaseoso. El agua 3 K (199,85°C) aproximadamente se valoriza ctor en la membrana de CO2 (28). El vapor de resión parcial por dilución. Una tercera válvula de H2O procedente de la combustión con la e agua, manteniendo ésta igual a la presión la atmósfera del exceso de vapor de agua el motor.
de CO2, ya con alta pureza, se enfría en un u temperatura crítica, 303 K (29,85°C). El CO2 antirretorno (19) y se almacena a 7,5 MPa en controlada por debajo de 303 K (29,85°C). ía del motor finaliza. El depósito se mantiene a (29,85°C)) usando si es necesario un circuito acondicionado del vehículo. El depósito se mbiándose por un depósito de combustible. El en un hidrocarburo (como en los combustibles tc.); suministrarse como producto a la industria ante a la industria frigorífica o almacenarse en a la atmósfera. La no emisión del CO2 a la ente realización 2 es un motor con emisiones osférico y no ha emitido el que se produce en
compresión (CI); de mezcla estratificada y compresión efectiva variable controlada por la gases contaminantes y sin captura de CO?
motores de encendido por compresión (CI) de ón) sin emisión de contaminantes y sin captura de CO2. Para la producción de potencia m proceso de combustión por difusión, con au y velocidad de combustión controlada por combustible.
El grado de sobrealimentación af régimen a través de la relación de com compresión efectiva es variable y está cont membrana MIEC. Esto supone un con disminuirse la cilindrada del motor y acercar turbomáquinas y cilindros al proceso isoter La temperatura de combustión se enfriada de comburente (O2) y combustible propia combustión. Esta mezcla con altas t en inglés) también ayuda a aumentar la tas (6) de O2 por bajar la presión parcial de la
En la realización 3 no se propone eliminar las emisiones de gases contamina de combustión) o en la membrana MIEC, si de los gases de escape, lo que supone un del motor. En la actualidad se estima que e del orden del 30% del coste total del g oxicombustión se garantiza que tampoco proceso de arranque en frío. Esto no suce necesario para calentar (activar) los siste gases de escape.
La realización 3 se ha representad atmosférico entra al motor a través de un fil El compresor C2 (2) forma parte de un turb turbina de geometría variable (VGT2) (8).
energía que recupera la turbina VGT2 (8) d condiciones nominales, el aire a la salida
temperatura de 0,4 MPa y 473 K (199,85°C) enfriador de carga del motor con agua (WC (3) la temperatura desciende hasta 323 K isoterma la compresión posterior en los prim Posteriormente se succiona el aire ecánica neta, la realización 3 se basa en un uto-encendido por detonación de la premezcla la cantidad de movimiento de los chorros de
fecta al porcentaje del par máximo a cada presión efectiva del ciclo. Esta relación de trolada por la tasa de producción de O2 en la cepto de reducción de tamaño, pudiendo r el proceso de compresión efectivo del aire en mo.
controla por la dilución de la mezcla pre­ e (HxCyOz) con CO2 y H2O procedente de la tasas de gases de escape recirculados (EGR sa de producción de O2 en la membrana MIEC misma.
e capturar el CO2 emitido por el motor sino ntes (CO, THC, PM y NOx) en origen (cámara sin necesidad de postratamiento para limpieza n ahorro considerable del coste de producción el postratamiento para la limpieza de gases es grupo moto-propulsor. Además, debido a la se emiten gases contaminantes durante el de en los motores actuales, debido al tiempo emas de postratamiento para la limpieza de
do en la figura 3. En la realización 3 el aire iltro (1) succionado por un compresor (C2) (2). ogrupo y está acoplado mecánicamente a una El compresor C2 (2) trasiega aire usando la el N2 rechazado en la membrana MIEC (6). En del compresor C2 (2) tiene una presión y una ) aproximadamente. El aire pasa por un primer AC) (3). A la salida del primer enfriador WCAC (49,85°C) aproximadamente lo que hace más eros cilindros (4) del motor.
por la mitad de los primeros cilindros (4) del motor. En la realización 3 se representa un son 2 cilindros los que succionan el aire. L comprimiendo el aire hasta aproximadame cilindros (4) son preferiblemente idénticos cigüeñal (25), el árbol de levas y la distribu no se les inyecta combustible. Al ser un mo en el interior de los primeros cilindros (4) c de refrigeración del motor (aproximadame hacer más isoterma la compresión. Estos de arranque del conjunto de turbomáquina turbinas del ciclo. Para ello se mueven, ha arranque convencional de los usados en los A la salida de los primeros cilin regenerador (23) que baja su presión ha aproximadamente 673 K (399,85°C); usan CO2, H2O y N2. Este flujo de N2, CO2 y situado aguas abajo de la turbina VGT2 aproximadamente el 80% del caudal total d una temperatura aproximada de 800 K (52 del primer regenerador (23) el aire se calie su temperatura hasta aproximadamente 9 térmica del O2 producido por la membran membrana MIEC (6) y bajar la presión parc aire a 0,75 MPa de presión entra en la mem de trabajo de la membrana MIEC (6) (apr intercambio de calor con el CO2 y el H2O que se usa para barrer el O2.
El rechazo de la membrana MIEC ( K (899,85°C); supone aproximadamente e sistema y pasa por la turbina VGT1 (71) VGT1 (71) y la válvula de control (72) f compresor C1 (10), al cual está unida me VGT1 (71) valoriza energéticamente el fluj recuperando su energía para mover el co regula el flujo de energía al compresor CO2+H2O de barrido de la membrana MIEC n motor de 4 cilindros y 4 tiempos, con lo que os primeros cilindros (4) actúan como bombas nte 0,8 MPa y 473 K (199,85°C). Los primeros al resto de cilindros del motor compartiendo el ución, y teniendo como única singularidad que otor de 4 tiempos el aire permanece 4 carreras on lo que se comprime y se enfría con el agua ente a 363 K (89,85°C)) lo que contribuye a primeros cilindros (4) funcionan como sistema s, para poner en marcha el flujo de aire y las asta el arranque del sistema, por un motor de s motores alternativos.
dros (4) el aire se calienta en un primer sta 0,77 MPa y eleva su temperatura hasta do para ello la energía térmica de un flujo de H2O sale a la atmósfera por el conducto (30) (8). Este flujo de N2, CO2 y H2O supone e aire trasegado por el motor y se encuentra a 6,85°C) y una presión de 0,1 MPa. A la salida nta en un segundo regenerador (5) que eleva 73 K (699,85°C) usando para ello la energía na MIEC (6) y del CO2 usado para barrer la cial del O2. Tras el segundo regenerador (5) el brana MIEC (6) donde alcanza la temperatura roximadamente 1223 K (949,85°C)) gracias al que proviene del proceso de oxicombustión y
(6) es fundamentalmente N2 a 0,7 MPa y 1173 el 80% de la masa de aire trasegada por el y/o por la válvula de control (72). La turbina forman parte de un turbogrupo junto con el cánicamente la turbina VGT1 (71). La turbina o de N2 rechazado de la membrana MIEC (6), ompresor C1 (10). La válvula de control (72) C1 (10). El compresor C1 (10) trasiega el (6), por lo tanto trasiega una mezcla de CO2, H2O y O2. El compresor C1 (10) trasiega a motor. Como consecuencia, la válvula de c para diluir el O2 y por ende la temperatura combustión. En conclusión, la temperatura de los segundos cilindros (14), se regula p aproximado de 1223 K (949,85°C) en condi Normalmente, la válvula de control la presión del compresor C1 (10). Una part circula a través de la turbina VGT1 (71), e N2 rechazado circula a través de la propia parte del N2 se mezcla aguas abajo de la t recalentándolo, y en consecuencia aumenta Tras pasar por la válvula de control la membrana MIEC (6) (el 80% del flujo d variable VGT2 (8) que se usa para mo nominales aproximadas de entrada a la (549,85°C). La geometría variable de la tur de aire trasegado por la membrana MIEC Cuando la turbina VGT2 (8) se cierra aum MIEC (6) y la presión de trabajo en la m producción horaria de O2 (a igualdad de tas inyectar en condiciones estequiométricas. (8) se abre. El tamaño mínimo (apertura consonancia con la cilindrada del motor sistema a cada régimen de giro del motor. determina el caudal mínimo de O2 (en vacío La turbina VGT2 (8) también puede compr turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se (2) se reduce a cero con lo cual se reduce MIEC como el caudal de aire trasegado con Si se desea reducir aún más el c entonces se abre la válvula de control (72) energía del compresor C1 (10) se reduce parcial del O2 a ambos lados de la membra de O2 dejando en vacío la carga del motor d Se puede decir que la válvula proximadamente el 95% del flujo de gases del control (72) regula el flujo de CO2 y H2O usado de combustión y de los gases de escape de la de los gases de escape del motor, a la salida or la válvula de control (72); y lo es a un valor iciones nominales.
(72) trabaja parcialmente abierta para regular te del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) xpandiéndose y enfriándose. La otra parte del válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, ando su temperatura.
(72) y/o por la turbina (71) el N2 de rechazo de e aire) se valoriza en la turbina de geometría over el compresor C2 (2). Las condiciones turbina VGT2 (8) son 0,3 MPa y 823 K rbina VGT2 (8) se utiliza para regular el caudal (6) y por tanto el caudal de O2 producido. enta el flujo de aire a través de la membrana embrana MIEC (6). Por lo tanto aumenta la sa) y la cantidad de combustible que se podría Sucede a la inversa cuando la turbina VGT2 mínima) de la turbina VGT2 (8) se elige en alternativo para fijar la potencia máxima del r. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) o) del motor alternativo a cada régimen de giro. ender una válvula de alivio (o WG). Cuando la abren al máximo la energía del compresor C2 n tanto la presión de trabajo de la membrana nsiderablemente.
audal de O2 del motor hasta bajarlo a cero, ) evitando la turbina VGT1 (71) con lo que la a cero. Esto prácticamente iguala la presión ana MIEC (6) y minimiza la tasa de producción de esta realización 3.
de control (72) proporciona una regulación cualitativa del flujo de O2 actuando sobre proporciona una regulación cuantitativa a Ambos controles proporcionan una regula compresión efectiva del cilindro en el pun (14) sin que cambie la relación de compresi comúnmente en los motores alternativos co A la salida de la turbina VGT2 (8) l MPa y temperatura de 800 K (526,85°C), a regenerador (23) para ceder su calor al ai (exenta de gases nocivos para la salud) a l La mezcla del O2 producido por la para barrerla y bajar la presión parcial del membrana MIEC (6), hacia los segundos c compresor C1 (10). Esta mezcla sale aproximadamente de 0,35 MPa y 122 aproximadamente el 115% del caudal de mezcla de CO2, H2O y O2 se recupera
calentar el aire que proviene de la salida segundo regenerador (5) la mezcla combur MPa y 700 K (426,85°C) aproximadament una turbina de geometría variable (VGT3) ( (12) con el cual está acoplada mecánicam se usa para sobrealimentar los se sobrealimentadores al uso, usando la ene turbina VGT3 (16) se regula para mantene abajo del compresor C3 (12).
Aguas abajo de la turbina VGT3 (1 turbina VGT3 (16) son aproximadamente
turbina VGT3 (16) se encuentra una bifur CO2, vapor de H2O y O2 a la atmósfera sin sin NOx). Esto se consigue gracias a la ca CO2 que se produce en la membrana
producción de NOx.
La descarga se realiza a través de una presión de 0,11 MPa para evitar que aire o N2 a la mezcla de gases combu la tasa de producción y la turbina VGT2 (8) ctuando sobre el caudal trasegado de aire. ción muy amplia y muy fina de la relación de to muerto superior de los segundos cilindros ión volumétrica de los mismos. Esto se conoce mo relación de compresión variable.
la mezcla de N2, CO2 y H2O a presión de 0,1 proximadamente, se hace pasar por el primer ire antes de descargar esta mezcla de gases a atmósfera.
membrana MIEC (6) y del CO2 y H2O, usados O2, sale por el extremo correspondiente de la ilindros (14) de combustión, succionada por el a una presión y temperatura nominales 3 K (949,85°C) respectivamente; y supone aire trasegado por el motor. El calor de la primero en el segundo regenerador (5) para del primer regenerador (23). A la salida del rente tiene unas condiciones nominales de 0,3 e. Esta presión y temperatura se valorizan en (16) que se usa para mover un compresor (C3) ente en otro turbogrupo. El compresor C3 (12) gundos cilindros (14), como los turborgía recuperada por la turbina VGT3 (16). La r constante e igual a 0,6 MPa la presión aguas
6) las condiciones nominales a la salida de la 0,1 MPa y 473 K (199,85°C). A la salida de la cación que descarga la mezcla excedente de ningún gas contaminante (sin CO, sin THC y tálisis del CO y el THC hasta vapor de H2O y MIEC (6) y a la oxicombustión que evita la
una segunda válvula antirretorno (19) tarada a durante los procesos transitorios pueda entrar rentes. Aguas arriba de la segunda válvula antirretorno (19) se forma por lo tanto un Este volumen está formado por un circuit sistema de acumulación de mezcla combur Esta mezcla acumulada facilita el arran excedente de O2 producido por la membra la combustión en los segundos cilindros (14 Con la bifurcación (29) y la segu nominales de presión a la salida de la temperatura es de unos 473 K (199,85°C). los segundos cilindros (14) se enfría en
(49,85°C). A continuación, se comprime en (199,85°C) siendo las condiciones del com control (72) para mantener la temperatura K (949,85°C), como ya se ha descrito. Des H2O y O2 se enfría de nuevo hasta 323 K ( comprime en el compresor C3 (12) hasta 0, energía de la turbina VGT3 (16) que regul igual a 0,6 MPa, como ya se ha descrito.
cuarto enfriador WCAC (13) hasta 323 segundos cilindros (14), que en esta realiz de 4 cilindros y cuatro tiempos que se ha principio de la descripción de la presente re En los segundos cilindros (14) se bomba de combustible (26), a la mezcl hidrocarburo se inyecta en el modo y la motor de combustión por difusión y en pro En dichos segundos cilindros (14) se rea encendido por compresión y similar al ciclo y los productos de la combustión. Es decir aire que entra al motor.
Los segundos cilindros (14) produc (4) que trasiegan el aire para la membran cigüeñal (25). Los segundos cilindros (14) neta que se usa para mover el vehículo eléctrico o cualquier aplicación que requier un eje. Estos segundos cilindros (14) funci circuito cerrado y separado de la atmósfera. o de conductos libres de N2 que actúa como ente de CO2+H2O+O2 tras la parada del motor. que posterior del motor, pues ya existe un na MIEC (6), que puede usarse para arrancar ).
nda válvula antirretorno (19), las condiciones turbina VGT3 (16) son de 0,11 MPa y la . La mezcla no excedente que continúa hacia un segundo enfriador WCAC (9) hasta 323 K el compresor C1 (10) hasta 0,3 MPa y 473 K presor C1 (10) las impuestas por la válvula de de los gases de escape alrededor de los 1223 pués del compresor C1 (10) la mezcla de CO2, 49,85°C) en el tercer enfriador WCAC (11) y se ,6 MPa y 473 K (199,85°C). Para ello se usa la la la presión a la salida del compresor C3 (12) Finalmente, la mezcla se vuelve a enfriar en el K (49,85°C) antes de succionarse por los ación son 2 por ser la mitad de los de un motor usado como ejemplo; como se estableció al alización 3.
inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una a comburente de CO2 atmosférico y O2. El cantidad deseados para regular la carga del porción inferior a la estequiométrica con el O2. liza un ciclo de combustión por difusión; de Diésel que fundamentalmente lo realiza el O2 r, aproximadamente el 80% de la cantidad de
en energía para mover los primeros cilindros a MIEC (6) pues están acoplados en el mismo producen un excedente de energía mecánica al que se acopla el motor, o el generador ra un aporte de energía mecánica a través de ionan como sistema de arranque del conjunto de turbomáquinas, para poner en marcha se mueven, hasta el arranque del sistema, usados en los motores alternativos.
Las cesiones de calor al agua de lo tercero (11) y cuarto (13); junto con la cesi regeneradores segundo (5) y primero (23 excedente de mezcla comburente, a través de calor al foco frío necesaria para que principio de la termodinámica y sea por ta los enfriadores WCAC primero (3), segu regeneraciones (producidas en los re contribuyen a minimizar la destrucción de una parte, a hacer el proceso de compresi por otra a recuperar la energía de los ga acercamiento a la compresión isoterma y del CO2, N2 y H2O acercan el ciclo del N2 rendimiento al de Carnot, conocido como H2O y O2 se puede asimilar a un cicl expansiones intermedias, pero anidado con cosa no descrita hasta ahora en la biblio cerrado anidado con el ciclo Diésel y binar éste cumple los preceptos termodinámicos máxima, como el ciclo Ericsson) es una no los preceptos del otro ciclo ideal de eficienc Finalmente, como resultado de la c la mezcla comburente (CO2, H2O, O2) se (14) una mezcla de CO2, H2O, THC sin qu la salida de los segundos cilindros (14) temperatura máximas de 0,6 MPa y 1223 gases de escape se hace pasar a través compresor C1 (10), el compresor C3 (12) cilindros (14). En la membrana MIEC (6), cumple la función de barrerla: bajando productividad de la membrana MIEC (6) y combustión sean compatibles con la tecno otra parte, la mezcla de gases de esca el flujo de aire y las turbinas del ciclo. Para ello por un motor de arranque convencional de los
s enfriadores WCAC primero (3), segundo (9), ión de calor en la membrana MIEC (6); en los ) y finalmente la descarga a la atmosfera del de la bifurcación (29), suponen la cesión total el ciclo termodinámico cumpla el segundo nto viable. A su vez, las cesiones de calor en ndo (9), tercero (11) y cuarto (13) y en las generadores segundo (5) y primero (23)) exergía del ciclo termodinámico debido, por ón global del fluido de trabajo más isotérmico y ses de escape para la separación del aire. El el uso de regeneradores para extraer el calor en la membrana MIEC (6) a un ciclo con igual ciclo Ericsson. El ciclo de la mezcla de CO2, lo de Brayton cerrado con compresiones y un ciclo Diésel en los segundos cilindros (14); grafía. En esencia el ciclo de Brayton cuasiio con el de N2 (enviando calor al ciclo del N2, para aproximarse a un ciclo ideal de eficiencia vedosa realización de ciclo binario; que cumple ia máxima, el de Carnot.
ombustión del hidrocarburo (combustible) con produce a la salida de los segundos cilindros emar y CO que se denomina gas de escape. A este gas de escape está a una presión y K (949,85°C) respectivamente. La mezcla de de la membrana MIEC (6) succionada por el y en última estancia por los propios segundos la mezcla de gases de escape por una parte la presión parcial del O2 para mejorar la diluyendo el O2 hasta que las temperaturas de logía de materiales de los MCIA actuales. Por pe se cataliza, reaccionando con el O2 para convertir los THC y CO resultantes del pr forma, a la salida de la membrana MIEC entrada del segundo regenerador (5) para t En el proceso descrito el motor fun de compresión efectiva del mismo con la grado de carga y el régimen de giro d responde instantáneamente a las aceleraci están acoplados mecánicamente en el mi tanto, la respuesta dinámica del motor no del turbogrupo, debido a su inercia mec atmósfera una mezcla de: CO2, H2O y O2 segunda válvula antirretorno (19); y N2+CO (8). Es decir, no emite ningún gas contamin animales. Ambas emisiones se mezclan e aguas abajo de la segunda válvula antirre emisiones del motor en un escape común.
Realización 4: Motor de encendido por combustión por difusión; con relación de c tasa de producción de O? ; sin emisiones d producido y retirada de CO2 atmosférico
La realización 4 está indicada para mezcla estratificada (combustión por difu producido por el propio motor. Por tanto, s que retiran CO2 de la atmósfera (tasa de e mecánica neta, la realización 4 se basa e auto-encendido por detonación de la preme la cantidad de movimiento de los chorros d inyectados.
El grado de sobrealimentación af régimen a través de la relación de com compresión efectiva es variable y está con membrana MIEC. Esto supone un con disminuirse la cilindrada del motor y acerca turbomáquinas y cilindros al proceso isoter La temperatura de combustión s oceso de combustión en CO2 y H2O. De esta (6) se cierra el ciclo y la mezcla vuelve a la transmitir su calor al aire.
ciona de manera óptima regulando la relación turbina VGT2 (8) a la más eficiente según el el motor. La productividad de la membrana iones del motor pues los primeros cilindros (4) ismo eje con los segundos cilindros (14). Por se ve afectada por el retraso en la aceleración ánica. Finalmente, el motor sólo emite a la por el tubo de bifurcación (29), a través de la 2 atmosférico por la salida de la turbina VGT2 ante que afecte perjudicialmente a personas y n el mismo conducto (30) de escape, que une torno (19) y de la turbina VGT2 (8) todas las
compresión (CI); de mezcla estratificada y compresión efectiva variable controlada por la e gases contaminantes y con captura de CO2
motores de encendido por compresión (CI) de sión) con captura del CO2 atmosférico y del e encuentra dentro de la categoría de motores misiones < 0). Para la producción de potencia n un proceso de combustión por difusión, con zcla y velocidad de combustión controlada por e combustible (y en este caso del CO2 líquido)
fecta al porcentaje del par máximo a cada presión efectiva del ciclo. Esta relación de trolada por la tasa de producción de O2 en la cepto de reducción de tamaño, pudiendo r el proceso de compresión efectivo del aire en mo.
e controla por la dilución de la mezcla de comburente (O2) y combustible (HxCyOz) combustión y densificado hasta condicione CO2 necesaria esto supone una innovació dos ciclos: (i) por un lado, un ciclo termod CO2 usado para controlar la temperatura d Diésel realizado por el O2 comburente y ahora en la bibliografía publicada.
La realización 4 propone capturar contenido del CO2 atmosférico del aire e posible. Además, elimina las emisiones de en origen (cámara de combustión), minim limpieza de los gases de escape, lo que producción del motor. En la actualidad se de gases es del orden del 30% del coste to debido a la oxicombustión se garantiza q durante el proceso de arranque en frío. Est al tiempo necesario para calentar (activ limpieza de gases de escape.
La realización 4 se ha representado aire atmosférico entra al motor a través de (2). El compresor C2 (2) forma parte de un una turbina de geometría variable (VGT2) ( energía que recupera la turbina VGT2 (8) (6). En condiciones nominales el aire a la s una temperatura de 0,4 MPa y 473 K (199 primer enfriador de carga del motor con ag WCAC (3) la temperatura desciende hast hace más isoterma la compresión posterior En la realización de la figura 4a el membrana de CO2 (28) polimérica con un 2000 a la temperatura de trabajo a la sal consigue en la figura 4a gracias a que el abajo del tercer enfriador WCAC (11) y separación de O2. El O2 baja la presión p cámaras de arrastre del módulo de mem recogido y el O2 usados para barrer la m ) con CO2 líquido procedente de la propia s supercríticas. Debido a la gran cantidad de n adicional, ya que en los cilindros conviven dinámico de CO2 supercrítico realizado por el e combustión y, al mismo tiempo, (ii) un ciclo sus productos. Esto no se ha descrito hasta
r el CO2 emitido por el motor y reducir el empleado, ambos de la forma más eficiente gases contaminantes (CO, THC, PM y NOx) izando la necesidad de postratamiento para supone un ahorro considerable del coste de estima que el postratamiento para la limpieza otal del grupo moto-propulsor. Adicionalmente, ue tampoco se emiten gases contaminantes to no sucede en los motores actuales, debido ar) los sistemas de postratamiento para la
o en las figuras 4a y 4b. En la realización 4 el un filtro (1) succionado por un compresor (C2) turbogrupo y está acoplado mecánicamente a (8). El compresor C2 (2) trasiega aire usando la del N2+H2O rechazado en la membrana MIEC alida del compresor C2 (2) tiene una presión y ,85°C) aproximadamente. El aire pasa por un ua (WCAC) (3). A la salida del primer enfriador ta 323 K (49,85°C) aproximadamente lo que en los primeros cilindros (4) del motor.
contenido en CO2 del aire se reduce en una a selectividad global CO2/N2 de alrededor de lida del primer enfriador WCAC (3). Esto se CO2 se arrastra por el O2 puro tomado aguas procedente de la membrana MIEC (6) de parcial del CO2 atmosférico permeado en las brana. En la figura 4a, el CO2 atmosférico embrana se dirigen hacia la primera válvula antirretorno (33) para succionarse por los s En una segunda versión de esta re aire atmosférico se separa mediante una fundidos, de manera que a la salida de encuentra con ninguna membrana de CO2.
Posteriormente se succiona el aire motor. En la realización 4 se representa cilindros los que succionan el aire. Los comprimiendo el aire hasta aproximadame cilindros (4) son preferiblemente idénticos cigüeñal (25), el árbol de levas y la distrib no se les inyecta combustible. Al ser un m en el interior de los primeros cilindros (4) c de refrigeración del motor (aproximadam hacer más isoterma la compresión. Estos de arranque del conjunto de turbomáquina turbinas del ciclo. Para ello se mueven, h arranque convencional de los usados en lo A la salida de los primeros cilin regenerador (23) que baja su presión ha aproximadamente 673 K (399,85°C); usan H2O y N2. Este flujo de N2 y H2O proviene supone aproximadamente el 90% del caud encuentra a una temperatura aproximada d A la salida del primer regenerador (23) el a que baja su presión hasta 1,45 MPa y elev K (449,85°C) usando para ello la energía MIEC (6) en la figura 4a. En la figura 4 producido por la membrana MIEC (6) y el No sube mucho la temperatura pues aproximadamente.
A la salida del segundo regenera MIEC catalítica (15) que baja su presión aproximadamente 1123 K (849,85°C); usa de escape de la combustión de los seg catalítica (15) los gases de escape ceden egundos cilindros (14).
alización, mostrada en la figura 4b, el CO2 del membrana de CO2 (28) basada en carbonatos l primer enfriador WCAC (3) el aire no se
por la mitad de los primeros cilindros (4) del un motor de 4 cilindros y 4 tiempos, y son 2 primeros cilindros (4) actúan como bombas nte 1,5 MPa y 473 K (199,85°C). Los primeros al resto de cilindros del motor compartiendo el ución, y teniendo como única singularidad que otor de 4 tiempos el aire permanece 4 carreras on lo que se comprime y se enfría con el agua ente a 363 K (89,85°C)) lo que contribuye a primeros cilindros (4) funcionan como sistema s, para poner en marcha el flujo de aire y las asta el arranque del sistema, por un motor de s motores alternativos.
dros (4) el aire se calienta en un primer sta 1,47 MPa y eleva su temperatura hasta do para ello la energía térmica de un flujo de de la turbina VGT2 (8). Este flujo de N2 y H2O al total de gases trasegados por el motor y se e 800 K (526,85°C) y una presión de 0,1 MPa. ire se calienta en un segundo regenerador (5) a su temperatura hasta aproximadamente 723 térmica del O2 producido por la membrana b se usa para ello la energía térmica del O2 CO2 producido en la membrana de CO2 (28). el O2 supone el 20% del caudal del aire
dor (5) el aire se calienta en una membrana hasta 1,4 MPa y eleva su temperatura hasta ndo para ello la energía térmica de los gases undos cilindros (14). En la membrana MIEC su calor al aire (actúa como regenerador) y tanto CO como HC (CO y HC suponen men escape y por tanto no se han reflejado exp hasta que todo el flujo de gases está compu CO2 y H2O supone aproximadamente el trasegados por el motor a presiones muy mucho su densidad y se reduce el tam necesaria para la oxidación de los gases de Tras la membrana MIEC catalítica ( inyecta en la membrana MIEC (6) de O2 do En el caso de la realización basada mediante membranas basadas en carbona H2O y CO2 atmosférico, que supone el rec aproximadamente 1123 K (849,85°C) y 1,3 caso una membrana de carbonatos fundi alrededor de 2500 a la temperatura de trab corriente de N2+H2O. Para ello se utiliza co por la membrana MIEC (6). Cuando este segundos cilindros (14) de combustión, suc el compresor C1 (10), se hace pasar an membrana de CO2 (28). De esta forma el O de CO2 (28) y bajar la presión parcial del C
En la primera versión de esta r poliméricas para la separación del CO2 atm rechazo de la membrana MIEC (6) de O2 membrana de CO2; ya que el aire ya se ha en CO2 en la membrana de CO2 (28) p membrana MIEC (6) de O2, en el caso de la membrana de CO2 (28), en la realización libres de CO2 atmosférico y, se componen 1123 K (849,85°C). Estos procedimientos tratado hacen que el motor descrito retire
tasa de emisión de CO2 negativa. Efectiva N2+H2O que se emiten a la salida de la turbi de entrada en el aire) y el CO2 producido sistema, como se explica más adelante.
Cada uno de los rechazos de las m nos del 1% de la composición de los gases de plícitamente en las figuras 4a y 4b) se oxidan uesto únicamente por CO2 y H2O. Este flujo de 100% del caudal total de gases de escape elevadas (7,5 MPa) con lo que se aumenta año de la membrana MIEC catalítica (15) e este motor.
(15), el aire a 1,4 MPa y 1123 K (849,85°C) se nde se separa el O2.
en la separación del CO2 atmosférico del aire atos fundidos mostrada en la figura 4b, el N2, hazo en la membrana MIEC (6) de O2 entra a 35 MPa en la membrana de CO2 (28), en este idos con una selectividad global CO2/N2 de ajo, donde se separa el CO2 atmosférico de la omo corriente de arrastre el O2 puro producido O2 sale de la membrana MIEC (6) hacia los ccionado por el vacío de 0,05 MPa que genera ntes por el lado del CO2 atmosférico de la 2 se utiliza para barrer el CO2 de la membrana O2.
realización, donde se emplean membranas osférico del aire (mostrada en la figura 4a) el 2 no se encuentra aguas abajo con ninguna tratado previamente para reducir el contenido polimérica de la figura 4a. El rechazo de la la realización de la figura 4a, o el rechazo de la de la figura 4b, están ambos prácticamente n mayoritariamente de N2+H2O a 1,35 MPa y de separación del CO2 atmosférico del aire CO2 de la atmósfera y se puede considerar de mente, el contenido en CO2 de la corriente el bina VGT2 (8) es mínima (<1-5% del contenido en la combustión se licua y se captura en el
embranas, supone aproximadamente el 80% de la masa de aire trasegada por el sistem por la válvula de control (72). La turbina
parte de un turbogrupo junto con el compre la turbina VGT1 (71). La turbina VGT1
rechazado de la membrana MIEC (6), recu C1 (10). La válvula de control (72) regula compresor C1 (10) trasiega el O2 puro prod la figura 4a. En el caso de la figura 4b, el en la membrana MIEC (6) CO2. Por lo tan de aire y controla el vacío a generar en el bajar la presión de O2 y aumentar la produ la válvula de control (72) regula la tasa de atrapada en el ciclo y la presión máxima del Normalmente, la válvula de control la presión del compresor C1 (10). Una part circula a través de la turbina VGT1 (71), e N2 rechazado circula a través de la propia parte del N2 se mezcla aguas abajo de la recalentándolo, y en consecuencia aument Tras pasar por la válvula de contr rechazo de la membrana MIEC (6) (el 80% geometría variable VGT2 (8) que se u condiciones nominales aproximadas de en 823 K (549,85°C). La geometría variable d caudal de aire trasegado por la membra producido. Cuando la turbina VGT2 (8) se membrana MIEC (6) y la presión de trab aumenta la producción horaria de O2 (a ig que se podría inyectar en condiciones est turbina VGT2 (8) se abre. El tamaño mínim elige en consonancia con la cilindrada del del sistema a cada régimen de giro del mot determina el caudal mínimo de O2 (en vacío La turbina VGT2 (8) también puede compr turbina VGT2 (8) o su válvula de alivio se (2) se reduce a cero, con lo cual se reduce a y se hace pasar por la turbina VGT1 (71) y/o VGT1 (71) y la válvula de control (72) forman sor C1 (10), al cual está unida mecánicamente (71) valoriza energéticamente el flujo de N2 uperando su energía para mover el compresor el flujo de energía al compresor C1 (10). El ucido en la membrana MIEC (6) en el caso de compresor C1 (10) trasiega O2 puro producido nto, trasiega aproximadamente el 20% del flujo l lado del O2 de la membrana MIEC (6) para ctividad de la membrana. Como consecuencia, producción de O2 y por ende la masa de O2 l ciclo en los segundos cilindros (14).
(72) trabaja parcialmente abierta para regular te del N2 rechazado en la membrana MIEC (6) xpandiéndose y enfriándose. La otra parte del válvula de control (72), sin enfriarse. Esta otra turbina VGT1 (71) con el N2 frío y expandido, ando su temperatura.
rol (72) y/o por la turbina (71) el N2+H2O de del flujo de aire) se valoriza en la turbina de sa para mover el compresor C2 (2). Las ntrada a la turbina VGT2 (8) son 0,35 MPa y e la turbina VGT2 (8) se utiliza para regular el ana MIEC (6) y, por tanto, el caudal de O2 cierra aumenta el flujo de aire a través de la ajo en la membrana MIEC (6). Por lo tanto, ualdad de tasas) y la cantidad de combustible equiométricas. Sucede a la inversa cuando la o (apertura mínima) de la turbina VGT2 (8) se motor alternativo para fijar la potencia máxima tor. La apertura máxima de la turbina VGT2 (8) o) del motor alternativo a cada régimen de giro. ender una válvula de alivio (o WG). Cuando la abren al máximo, la energía del compresor C2 en tanto la presión de trabajo de la membrana MIEC como el caudal de aire trasegado co Si se desea reducir aún más el cau abre la válvula de control (72) evitando la compresor C1 (10) se reduce a cero. Esto de la membrana MIEC (6) y anula la tasa del motor de esta realización 4.
De esta manera, la válvula de cont del flujo de O2 actuando sobre la tasa de una regulación cuantitativa actuando sobre proporcionan una regulación muy amplia y del cilindro en el punto muerto superior de relación de compresión volumétrica de los motores alternativos como relación de com A la salida de la turbina VGT2 (8) l temperatura de 800 K (526,85°C), apro regenerador (23) para ceder su calor al aire exenta de gases nocivos para la salud) a la El O2 puro en el caso de la figura caso de la figura 4b, salen de la membra respectivamente, a una presión y temperat y 1123 K (849,85°C) respectivamente. aproximadamente el 20% del caudal de air El calor de este flujo comburente s (5) para calentar el aire que proviene de la del segundo regenerador (5) el O2 tiene un K (426,85°C) aproximadamente.
Seguidamente la mezcla fluye a tra de Brayton a vacío (CBV) (21). Los medios (CBV) (21) tienen la función de enfriar presión y recuperando la pérdida de presió medios para llevar a cabo un ciclo de Bra una turbina VGT3 (16) acoplada mecánic forma un turbogrupo. Entre la salida de la C3 (12) hay un quinto enfriador WCAC (31 cabo un ciclo de Brayton a vacío (CBV) ( funcionamiento en el diagrama T-s de la nsiderablemente.
dal del motor hasta bajarlo a cero, entonces se turbina VGT1 (71) con lo que la energía del iguala la presión parcial del O2 a ambos lados de producción de O2 dejando en vacío la carga
trol (72) proporciona una regulación cualitativa producción y la turbina VGT2 (8) proporciona el caudal trasegado de aire. Ambos controles muy fina de la relación de compresión efectiva los segundos cilindros (14) sin que cambie la mismos. Esto se conoce comúnmente en los presión variable.
a mezcla de N2 y H2O a presión de 0,1 MPa y ximadamente, se hace pasar por el primer antes de descargar esta mezcla de gases (ya atmósfera.
4a o el O2 diluido con CO2 atmosférico en el na MIEC (6) y de la membrana de CO2 (28) tura nominales aproximadamente de 0,05 MPa Este es el flujo comburente, que supone e trasegado por el motor.
e recupera primero en el segundo regenerador salida del primer regenerador (23). A la salida as condiciones nominales de 0,048 MPa y 700
vés de unos medios para llevar a cabo un ciclo para llevar a cabo un ciclo de Brayton a vacío la mezcla transformando su temperatura en n causada por el segundo regenerador (5). Los yton a vacío (CBV) (21) están compuestos por amente con un compresor C3 (12) con el que turbina VGT3 (16) y la entrada del compresor ). El detalle interno de los medios para llevar a 21) puede verse en la figura 5a) y su ciclo de figura 5b). La mezcla de CO2, H2O y O2 se expande para valorizarse energéticamente constante en el quinto enfriador WCAC ( acoplado mecánicamente con la turbina V mezcla está más fría y a más presión que a Las condiciones nominales de la m (12) son aproximadamente 0,08 MPa y 4 continúa su camino hacia los segundos cil WCAC (9) hasta 323 K (49,85°C). A conti hasta 0,25 MPa y 473 K (199,85°C) sien impuestas por la válvula de control (72) membrana MIEC (6), como ya se ha desc comburente se vuelve a enfriar en el tercer En la realización de la figura 4a el arrastrar el CO2 en la membrana de CO2 ( alrededor de 2000 para bajar la presión eficacia de la membrana para retirar el CO figura 4b el fluido comburente es ya el O tercer enfriador WCAC (11).
A continuación, el fluido combu antirretorno (33) para evitar la salida de r primera válvula antirretorno (33) la mezcla que son 2 de los 4 que tiene el motor de estableció al principio de la descripción de l En los segundos cilindros (14) se bomba de combustible (26), a la mezcla bomba de combustible (26) succiona el c está separado con una membrana flexibl CO2 líquido, como se explicará más
hidrocarburo acumulado en el segundo de el lado del hidrocarburo y aumenta el v acumulación de este último en su lado succionado por la bomba de combustible en el modo y la cantidad deseados para difusión y en proporción inferior a la est cilindros (14) se realiza un ciclo de combus y similar al ciclo Diésel que fundamental en la turbina VGT3 (16); se enfría a presión 31) y se comprime en el compresor C3 (12), GT3 (16). A la salida del compresor C3 (12) la la entrada de la turbina VGT3 (16).
ezcla comburente a la salida del compresor C3 73 K (199,85°C). La mezcla comburente, que lindros (14), se enfría en el segundo enfriador nuación se comprime en el compresor C1 (10) do las condiciones del compresor C1 (10) las para mantener la tasa de productividad de la rito. Después del compresor C1 (10), el fluido enfriador WCAC (11) hasta 323 K (49,85°C).
l fluido comburente es O2 puro y se usa para 28) polimérica con una selectividad CO2/N2 de parcial del CO2 en este lado y maximizar la 2 de la corriente de aire. En la realización de la 2 diluido con CO2 atmosférico a la salida del
rente pasa a través una primera válvula eflujos de los segundos cilindros (14). Tras la se succiona por los segundos cilindros (14), cuatro tiempos usado como ejemplo, como se la presente realización 4.
inyecta un hidrocarburo HxCyOz, con una comburente O2 (junto con el CO2 del aire). La ombustible de un segundo depósito (27) que e del primer depósito (20) donde se acumula adelante. Conforme se va consumiendo el pósito (27) la membrana reduce el volumen en olumen en el lado del CO2 para permitir la del primer depósito (20). El hidrocarburo (26) se inyecta en los segundos cilindros (14) regular la carga del motor de combustión por equiométrica con el O2. En dichos segundos tión por difusión; de encendido por compresión mente lo realiza el O2 y sus productos de la com bustión. E s decir, el 2 0 % de la m a sa q P a ra regular la tem peratura de tecno lo g ías de m ateriales y de refrigerac inyectar g ran d es can tidad es de C O 2 Aproxim adam ente, esta cantidad e s del 8 cilindros (14 ) y se inyecta por la bom ba d crítica (< 30 3 K (2 9 ,85 °C )) y alta presió cilindros. El C O 2 se m antiene a tem peratur usand o si e s n ece sa rio un circuito frigorífi del vehícu lo . El C O 2 inyectado se ha captu com bustión anteriores. El C O 2 se evap o ra realizando un ciclo term odinám ico supercrí d escrib irá m ás adelante.
Lo s seg u n d o s cilindros (14 ) produ (4 ) que trasiegan el aire para la m em bran d e sca rg a h asta la presión sup ercrítica; p ue (2 5 ). La productividad de la m em brana re del motor p ues los prim eros cilindros (4 ) e je con los seg u n d o s cilindros (14 ). Por ta afectada por el retraso del turbogrupo (d ocurre en los m otores turbo-so brealim ent (1 4 ) producen a d e m á s un excedente de e n v e h ícu lo al que se aco p la el motor, o el
requiera un aporte de e n e rg ía m e cá n ica a funcionan com o sistem a de arranque del m arch a el flujo de a ire y las turbinas del cic s istem a, por un motor de arranque co alternativos.
L a s c e sio n e s de calo r al a g u a de lo tercero (11 ), cuarto (13 ), quinto (31 ) y s m em brana M IE C (6 ) y en la m em brana seg un d o (5 ) y prim ero (23 ) y finalm ent excedente de C O 2 y H2O, sup o n en la cesió el ciclo term odinám ico cum pla el segund o viable. A su v e z las c e s io n e s de ca lo r en l tercero (11 ), cuarto (13 ), quinto (31 ) y sext circu la por el motor.
om bustión a lím ites com patib les con las de los m otores alternativos e s n ecesa rio íquido en los seg u n d o s cilindros (14 ). % de la m a sa trasega d a por los seg un d o s C O 2 (35 ) líquido a tem peratura inferior a la (aproxim adam ente 80 M Pa) dentro de los su b críticas (< 303 K (2 9 ,85 °C )) en la bom ba com o el que produce el aire acondicionado do y licuado previam ente en los p ro ceso s de ntro de los seg un d o s cilindros y se expande o distinto al del O2 y su s productos, que se
e n e rg ía para m over los prim eros cilindros M IE C (6 ) y para com prim ir el C O 2 durante la están todos aco p la d o s en el m ism o cigüeñal onde instantáneam ente a las a ce le ra c io n e s tán aco p la d o s m ecán icam ente en el m ism o o, la resp u esta d in ám ica del motor no se ve ido a la inercia m ecá n ica del m ism o) com o os co n ven cio n ales. Los seg u n d o s cilindros g ía m e cá n ica neta que se u sa para m over el nerad o r eléctrico o cu alq u ie r ap licació n que vés de un eje. E sto s seg un d o s cilindros (14 ) onjunto de turbom áquinas, para poner en . P a ra ello se m ueven, hasta el arranq ue del encional de los u sa d o s en los motores
enfriadores W C A C prim ero (3 ), segundo (9 ), to (18 ); junto con la cesió n de calo r en la IE C catalítica (15 ); en los regenerado res el resto de la d en sificació n y captura del total de ca lo r al foco frío n e c e sa ria para que rincipio de la term odinám ica y s e a por tanto enfriadores W C A C prim ero (3 ), segund o (9 ), (18 ) y en la s re g e n eracio n e s (producidas en los regeneradores segundo (5) y primero ( exergía del ciclo termodinámico debido, por global del fluido de trabajo más isotérmico de escape para la separación del aire. El a de regeneradores segundo (5) y primero (2 acercan el ciclo del aire y el N2 en la membr al de Carnot conocido como ciclo Ericsson. a un ciclo de CO2 supercrítico con com anidado con un ciclo Diésel en los segund en la bibliografía. En esencia el ciclo de C binario con el de N2 (enviando calor
termodinámicos para aproximarse a un ci Ericsson) es una novedosa realización de otro ciclo ideal de eficiencia máxima, el de
Como resultado de la combustión comburente (CO2 atmosférico O2) se pro una mezcla de CO2, H2O, THC sin quema sobrante de la combustión en la membra temperatura aproximada de 1273 K (999, ceden su calor al 100% del flujo de aire que baja mucho, hasta aproximadamente los reacciones químicas que se producen en l CO y los THC con el O2 sobrante de la nuevamente, debido a la oxicombustión se cilindros (14). Como la relación entre el O cilindros (14) no es estequiométrica, sino su puede quedar O2 sobrante aún después de La presión de 7,5 MPa viene regula su muelle de tarado. La compresión se real escape de los segundos cilindros (14) y d gases comprimidos hasta los 7,5 MPa se (299,85°C) que es la temperatura de satur sigue en estado gas dentro de los segundos La mezcla se enfría en el cuarto enf para que el H2O pase a estado líquido. A c gas en un separador (17), que puede s 23)) contribuyen a minimizar la destrucción de r una parte, a hacer el proceso de compresión y por otra a recuperar la energía de los gases cercamiento a la compresión isoterma y el uso 23) para extraer el calor del O2 y del CO2+H2O rana MIEC (6) a un ciclo con igual rendimiento . El ciclo de la mezcla de O2 se puede asimilar presiones y expansiones intermedias, pero os cilindros (14); cosa no descrita hasta ahora CO2 supercrítico anidado con el ciclo Diésel y al ciclo del N2 éste cumple los preceptos iclo ideal de eficiencia máxima, como el ciclo un ciclo binario; que cumple los preceptos del Carnot.
del hidrocarburo (combustible) con la mezcla duce a la salida de los segundos cilindros (14) ar, O2 y CO. Esta mezcla se oxida con el O2 na MIEC catalítica (15) a la que entra a una ,85°C) y una presión de 7,5 MPa. Los gases e trasiega el motor, con lo cual su temperatura 753 K (479,85°C). A la vez, y debido a las la membrana MIEC catalítica (15) se oxidan el combustión hasta vapor de H2O y CO2, y, evita la producción de NOx en los segundos 2 admitido y el combustible en los segundos uperior como una opción para regular la carga, oxidar el CO y los THC.
ada por la segunda válvula antirretorno (19) y liza de forma instantánea al abrir la válvula de escargar la mezcla de gases de escape. Los e deben mantener por encima de los 573 K ación del agua a 7,5 MPa para garantizar que s cilindros (14).
friador WCAC (13) hasta los 523 K (249,85°C) ontinuación, el agua líquida se separa del CO2 er un separador inercial con una válvula de laminación de presión a la salida. Tamb membrana polimérica, si el agua se mantu 7.5 MPa y 473 K (199,85°C) supone apro trasegada por el motor. El agua separada turbina VGT2 (8). De esta forma la presión por la expansión en la turbina VGT2 (8 temperatura y la masa del agua extraída r VGT2 (8).
Finalmente, el CO2 restos de O2 debajo de los 303 K (29,85°C) que es su te de la segunda válvula antirretorno (19) y s (20) con temperatura controlada por debaj a temperaturas subcríticas del CO2 (< 3 circuito frigorífico como el que produce el se pueda haber acumulado en el depósito válvula antirretorno (34) cuando la presión combustible del segundo depósito (27) se primero suceda, la autonomía del motor fi una membrana flexible. El primer depósit servicio, intercambiándose por combustible líquido puede nuevamente convertirse en controlados, pero no se emite a la atmósfe de admisión junto con la captura del CO2 g combustible permite determinar que la pre netas negativas pues ha retirado CO2 atm su proceso de combustión.
Como el CO2 líquido se inyecta nue bomba de CO2 (35) y para mantener cont realiza un ciclo termodinámico novedo representado en la figura 6 en los diagrama energéticamente relevante por el CO2, el masa contenida en los cilindros. La descrip (1) .- Estación correspondiente a la en de CO2 (35) éste se encuentra en unas con 7.5 MPa y 298 K (24,85°C).
(2) .- Estación correspondiente a la sa ién puede usarse como separador (17) una viese en estado gaseoso. La masa de agua a ximadamente el 10% del caudal total de masa se mezcla con el N2+H2O a la entrada de la aguas abajo del separador (17) viene marcada ). Esto permite valorizar energéticamente la recuperando parte de su energía en la turbina
se enfría en el sexto enfriador WCAC (18) por mperatura crítica. El CO2 líquido pasa a través e almacena a 7,5 MPa en un primer depósito o de 303 K (29,85°C). El depósito se mantiene 03 K (29,85°C)) usando, si es necesario, un aire acondicionado del vehículo. El O2 gas que se purga a la atmósfera a través de una cuarta en el depósito supere los 7,5 MPa. Cuando el vacía o el primer depósito (20) se llena, lo que inaliza. Ambos depósitos están separados por o (20) se descarga de CO2 en la estación de que rellena el segundo depósito (27). El CO2 un hidrocarburo o almacenarse en sumideros ra. La reducción del contenido en CO2 del aire enerado en los procesos de oxicombustión del sente realización 4 es un motor con emisiones osférico y no ha emitido el que se produce en
vamente en los segundos cilindros (14), con la troladas las temperaturas de combustión, éste so y no descrito hasta ahora que se ha s p-h; T-s y p-v respectivamente. Este ciclo es cual supone aproximadamente el 80% de la ción del ciclo del CO2 es la siguiente:
trada de la bomba. A la entrada de la bomba diciones termodinámicas de aproximadamente
lida de la bomba. A la salida de la bomba de CO2 (35) éste se encuentra en unas condici MPa y 303 K (29,85°C). El proceso entre l de CO2 y durante el mismo el CO2 se man bomba de manera prácticamente isoter subcríticas (< 303 K (29,85°C)) durante la frigorífico como el que produce el aire aco figura 6 corresponde al momento en que el y se expande hasta la presión que en aproximadamente 20 MPa.
(3) .- Estación correspondiente al final En la estación (3) se alcanza la temperatu condiciones son aproximadamente 1800 K en los segundos cilindros (14). El CO2 se i carrera de compresión. El CO2 se expan aguas arriba de la tobera de inyección,
segundos cilindros (14). La presión en prácticamente constante a 20 MPa duran gracias a la continuación en la inyección temperatura aumenta hasta los 1800 K hidrocarburo.
(4) .- Estación correspondiente al final entre (3) y (4) supone una reducción de te Las condiciones en (4) son de unos 1173 ha bajado por la dilución de los producto presión ha bajado por la ausencia de comb durante el proceso entre (3) y (4).
(5) .- Estación correspondiente al punt entre (4) y (5) supone una continuación combustión y sin inyección de CO2. Esto su Las condiciones en (5) son aproximadame entre (4) y (5) sigue sucediendo en los cili sistema aislado del exterior. En (5) termin abre la válvula de escape y comienza el pr escape.
(6) .- Estación correspondiente al final escape se produce una re-compresión inst iones termodinámicas de aproximadamente 80 las estaciones (1) y (2) se realiza en la bomba tiene en estado líquido, comprimiéndose en la rma. El CO2 se mantiene a temperaturas compresión usando si es necesario un circuito ndicionado del vehículo. La estación (2’) de la CO2 líquido sale de la tobera de los inyectores cuentra en los segundos cilindros (14) de
del proceso de combustión del hidrocarburo. ra máxima y la presión máxima del ciclo. Las (1526,85°C) y 20 MPa. El proceso se realiza inyecta junto con el hidrocarburo al final de la de en cuanto se inyecta, desde los 80 MPa hasta los 20 MPa de presión máxima en los los segundos cilindros (14) se mantiene te el proceso entre las estaciones (2’) y (3) de CO2 y pese a la carrera de expansión. La (1526,85°C) gracias a la combustión del
del proceso de inyección del CO2. El proceso emperatura a presión ligeramente decreciente.
K (899,85°C) y unos 18 MPa. La temperatura s de la combustión con el CO2 inyectado. La ustión y el aumento del volumen en el cilindro
to muerto inferior de los cilindros. El proceso del aumento de volumen en los cilindros sin pone un enfriamiento y una bajada de presión. ente 873 K (599,85°C) y 0,3 MPa. El proceso indros con válvulas cerradas con lo que es un a la expansión volumétrica en los cilindros, se roceso de escape o descarga de los gases de
del proceso de escape. Al abrirse la válvula de tantánea del gas en los cilindros debido a que la zona de descarga se encuentra pres antirretorno (19). El proceso entre (5) y (6) temperatura hasta aproximadamente 7,5 M El ciclo se cierra en un proceso de en el que el CO2 pasa de estado gas a supercrítica. En este cierre del ciclo vu condiciones iniciales de 298 K (24,85°C) y lugar en parte en los cilindros durante el pr condiciones constantes de presión, durante escape. El resto del enfriamiento se produ los enfriadores WCAC cuarto (13) y sext reinyecta en los cilindros para volver a rea acumula en el primer depósito (20) hasta tratamiento apropiadas.
El estado termodinámico donde se termodinámicos (4) y (5) con la línea del p (1) es el punto (7), como aparece reflejad punto (7) depende de las condiciones
separación entre la parte del ciclo qu (1,2,3,4,7,1) y la parte del ciclo que produc decir que consume trabajo.
Si bien el CO2 supone aproximada los cilindros, existe otro 20% de masa apr el combustible. El ciclo realizado por el O2 con el ciclo de CO2 en el interior de los propuesto hasta ahora en la bibliografía t Las etapas de este ciclo son las siguientes: (a) .- Estación correspondiente a las co los segundos cilindros (14). Estas condi primera válvula antirretorno (33). Las condi K (49,85°C) aproximadamente. En este in (14) se encuentran en el punto muerto inf segundos cilindros (14) y comienza el proc (b) .- Estación correspondiente a las co de compresión de los segundos cilindros muerto superior del pistón de los urizada a 7,5 MPa por la segunda válvula supone un aumento instantáneo de presión y Pa y 1273 K (999,85°C).
enfriamiento a la presión constante de 7,5 MPa estado líquido siguiendo la línea de presión elve nuevamente a la estación (1) en las 7,5 MPa. Este proceso de enfriamiento tiene oceso de descarga de los gases de escape, en todo el tiempo que sigue abierta la válvula de ce en la membrana MIEC catalítica (15) y en o (18). Parte de la masa de CO2 licuada se lizar el ciclo descrito y el sobrante de CO2 se su entrega en las estaciones de recogida y
cruzan la línea del proceso entre los estados roceso entre los estados termodinámicos (6) y o en la figura 6. El estado termodinámico del particulares del ciclo y marca el vértice de e produce trabajo mecánico neto positivo e trabajo mecánico neto negativo (7,5,6,7); es
mente el 80% de la masa que evoluciona por oximadamente que es el O2 que reacciona con 2 y sus productos de combustión está anidado segundos cilindros (14). Por ser un ciclo no ambién se describe con detalle en la figura 7.
ndiciones termodinámicas en la admisión de iciones están localizadas aguas abajo de la iciones termodinámicas son de 0,3 MPa y 323 stante los pistones de los segundos cilindros ferior. Se cierra la válvula de admisión de los eso de compresión del O2.
ndiciones termodinámicas al final del proceso (14). Estas condiciones suceden en el punto segundos cilindros (14). Las condiciones termodinámicas son de 11 MPa y 573 K entre los estados (a) y (b) se produce un calor a las paredes de los cilindros, del O2 20% de la masa del ciclo). En las condicion combustible y el CO2 en estado líquido.
(c) .- Estación correspondiente a las co de combustión del hidrocarburo combustibl muerto superior del pistón de los s termodinámicas son de 200 MPa y 1800 entre (b) y (c) conlleva la inyección del com su combustión por difusión, controlándos cantidad de movimiento de los chorros in también el inicio de la inyección del CO2 proceso de combustión y ayuda a manten establecidos aproximadamente. Estas c termodinámico (3) del ciclo de CO2 de la fig y CO2) suceden al unísono.
(d) .- Estación correspondiente a las co de inyección del CO2. Estas condiciones pistón de los segundos cilindros (14). Las c K (899,85°C) y unos 18 MPa aproximadam estado termodinámico (4) del ciclo de CO ciclos (O2 y CO2) suceden al unísono. El pr es idéntico al descrito en la figura 6 entre l o menos en función de la cantidad de
temperatura final deseada en los producto combustión. Un caso ideal, representado e proceso hasta el punto muerto inferior de pues supondría la máxima producción de tr (e) .- Estación correspondiente a las co inferior de la carrera del pistón de los segun al final del proceso de expansión en lo termodinámicas son aproximadamente 873 coinciden con las del estado termodinámic condiciones ambos ciclos (O2 y CO2) suce (d) y (e) de la figura 7 es idéntico al descrito (299,85°C) aproximadamente. En el proceso a compresión politrópica, con transmisión de atrapado en los mismos (aproximadamente el nes (b) se comienza a inyectar el hidrocarburo
ndiciones termodinámicas al final del proceso le. Estas condiciones suceden pasado el punto segundos cilindros (14). Las condiciones K (1526,85°C) aproximadamente. El proceso bustible, su auto-encendido por compresión y se la velocidad de combustión gracias a la yectados. El proceso entre (b) y (c) conlleva líquido que va a controlar la temperatura del er la presión constante e igual a los 200 MPa condiciones coinciden con las del estado gura 6. En estas condiciones ambos ciclos (O2
ndiciones termodinámicas al final del proceso suceden durante la carrera de expansión del condiciones termodinámicas son de unos 1173 ente. Estas condiciones coinciden con las del 2 de la figura 6. En estas condiciones ambos roceso entre los estados (c) y (d) de la figura 7 los estados (3) y (4). El proceso se alarga más CO2 inyectado que a su vez depende de la os de la combustión y de la estabilidad de la n la figura 7 por el punto (d’), sería alargar este la carrera de expansión. Este caso es ideal rabajo en el ciclo de O2 y en el de CO2.
ndiciones termodinámicas en el punto muerto ndos cilindros (14). Estas condiciones suceden os segundos cilindros (14). Las condiciones 3 K (599,85°C) y 0,3 MPa. Estas condiciones o (5) del ciclo de CO2 de la figura 6. En estas den al unísono. El proceso entre los estados o en la figura 6 entre los estados (4) y (5).
(f) .- Estación correspondiente a las con de escape en el punto muerto inferior de l (14). Al abrirse la válvula de escape se pr en los cilindros debido a que la zona de d por la segunda válvula antirretorno (19). E termodinámico (6) del ciclo de CO2 de la fig y CO2) suceden al unísono. El proceso entr al descrito en la figura 6 entre los estados aumento instantáneo de presión y tempera K (999,85°C).
(g) .- Estación correspondiente a las co descarga de gases de combustión, en el p del pistón de los segundos cilindros (14). realiza también la descarga de gases de presión, durante todo el tiempo que sigue Las condiciones termodinámicas son aproxi estas condiciones ambos ciclos (O2 y CO estados (f) y (g) de la figura 7 coincide dura descrito en la figura 6 entre los estados (6 los ciclos de O2 y de CO2.
(h) .- Estación correspondiente al final segundos cilindros (14), hasta la presión d antirretorno (33). Esta estación sucede en segundos cilindros (14). En el proceso en muerto de la cámara de combustión se h abre la primera válvula antirretorno (33).
antirretorno (33) cerrada. Este proceso s combustión del O2 y exclusivo del ciclo de l descrito en la figura 6. Las condiciones ter 773 K (499,85°C).
El ciclo se cierra de nuevo en las co proceso entre (h) y (a) sucede con la prime temperatura esencialmente constantes y (49,85°C). El proceso entre (h) y (a) con admisión de los cilindros y supone la entra aire del sistema.
ndiciones termodinámicas al abrirse la válvula la carrera del pistón de los segundos cilindros roduce una re-compresión instantánea del gas escarga se encuentra presurizada a 7,5 MPa stas condiciones coinciden con las del estado gura 6. En estas condiciones ambos ciclos (O2 re los estados (e) y (f) de la figura 7 es idéntico (5) y (6). El proceso entre (e) y (f) supone un atura hasta aproximadamente 7,5 MPa y 1273
ondiciones termodinámicas al completarse la unto muerto superior de la carrera de escape . En el proceso entre la estación (f) y (g) se los cilindros, en condiciones constantes de abierta la válvula de escape hasta su cierre. imadamente 7,5 MPa y 1173 K (899,85°C). En 2) suceden al unísono. El proceso entre los ante un cierto tramo a presión constante con el ) y (1). En esta estación vuelven a separarse
l del proceso de caída de presión en los e admisión, aguas abajo de la primera válvula algún punto de la carrera de admisión de los ntre (g) y (h) el CO2 atrapado en el volumen a expandido hasta las condiciones en que se Este proceso sucede con la primera válvula e realiza sólo por el CO2 proveniente de la la figura 7 y es independiente del ciclo de CO2 modinámicas son aproximadamente 0,3 MPa y
ndiciones termodinámicas (a) de la figura 7. El era válvula antirretorno (33) abierta a presión y y aproximadamente de 0,3 MPa y 323 K siste en la admisión de O2 procedente de la da de aproximadamente el 20% de la masa de El estado term odinám ico donde se term odinám icos (d) y (e) con la lín ea del p (g) e s el punto (i), com o ap a re ce reflejado e estado term odinám ico (7 ) en la figura 6 . El de las co n dicio n es particulares del ciclo de entre la parte del c ic lo que produce trabajo del ciclo que produce trabajo m ecán ico n trabajo, com o y a se rescrib ió en la figura 6 . (d’) de la figura 7 supone una situación ide son coincidentes. E n este ca so el á rea (i’ trabajo neto producido, entendiéndose c positivo y el trabajo negativo.
E n el c ic lo de O2 de la figura 7 exist e s el punto (j). C o m o ap are ce reflejado term odinám ico donde se cruzan la lín ea del y (b) con la lín ea del proceso entre los term odinám ico del punto (j) d epende de las
7 y m arca el vértice de se p a ra ció n entre la neto positivo (i,j,b,c,d,i) y la otra parte d negativo (j,g,h,a,j); e s d ecir que co n su m e tr S e realizó un m odelado teórico de p b a se al m ism o, cu yo s resultados se m ue adjuntas. P a ra el m odelo se sup usiero n efic ien cia de la turbom aquinaria y de los i punto de funcionam iento.
T am b ién se su p u so una m a sa de variab le de com bustible g a se o so en los cili un d o sado estequiom étrico. El com bustible S e im puso una relación de com pres
4 :1 , una tem peratura m áxim a del refrigera g a se s de e sc a p e de 1055 °C .
T a l com o puede o b se rv a rse a partir de la d escrip ció n anterior, con la presente i abre la posibilidad de se cu e stra r el C O 2 en regula la carg a sin n ece sid ad de una vá lv obtiene una alta efic ien cia y potencia e sp e c í zan la lín ea del proceso entre los estado s eso entre los e stado s term odinám icos (f) y la figura 7 . El punto (i) e s coincidente con el stado term odinám ico del punto (i) depende figura 7 y m arca el vértice de sep aració n ecán ico neto positivo (i,j,b,c,d,i) y una parte o negativo (i,e,f,i); e s d ecir que co nsum e m o y a se d escrib ió anteriorm ente, el punto del ciclo descrito en que los puntos (f) e
Figure imgf000057_0001
e,i’) e s cero y por lo tanto se m axim iza el o la d iferencia abso luta entre el trabajo
tra zo n a que co n su m e trabajo cuyo vértice n la figura 7 , el punto (j) e s el estado oceso entre los e stado s term odinám icos (a) tado s term odinám icos (f) y (g). El estado n d ic io n es particulares del ciclo de la figura rte del ciclo que produce trabajo m ecánico ciclo que produce trabajo m ecán ico neto jo.
diseño y se realizaron d iverso s cá lcu lo s en an en las g ráficas de las figuras 8 a 13 n exio nes id e a le s entre e lem entos y una ercam biadores de calo r constante en todo
e atrapada constante y ta sa de inyección ros del motor y en el com presor, a s í com o n siderad o fue C8H18 (P C I ~ 42 M G/kg).
m áxim a de los turbocom presores fijada a e de 90 ° C y una tem peratura m áxim a de
las g ráficas de la s figuras 8 a 13 , y a partir ención se evitan las e m is io n e s de N O x y se gar de emitirlo a la atm ósfera. A d em á s, se de m aripo sa en la lín ea de adm isión y se a por unidad de cilindrada.
Aunque se ha proporcionado una d de la presente invención, el experto en modificaciones y variaciones a las mis protección definido exclusivamente por las escripción detallada de realizaciones preferidas la técnica entenderá que pueden aplicarse mas sin por ello apartarse del alcance de reivindicaciones adjuntas.

Claims (37)

REIVINDICACIONES
1. Motor de combustión interna, del tipo que succiona aire atmosférico como comburente y usa hidrocarburos como combustible, comprendiendo el motor: - un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende una membrana MIEC (6) que separa el O 2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N 2 , y un aire empobrecido procedente del rechazo de la membrana MIEC (6) se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior, en el que parte de las compresiones de aire se realizan en al menos un primer cilindro (4) del motor;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión en al menos un segundo cilindro (14) del motor,
en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica mediante el acoplamiento del al menos un primer cilindro (4) con el al menos un segundo cilindro (14) a través de un cigüeñal (25), así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O 2 comprimido procedente de la membrana MIEC (6);
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N 2 en la membrana MIEC (6).
2. Motor según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende dos primeros cilindros (4).
3. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende dos segundos cilindros (14).
4. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la energía mecánica neta producida por el primer ciclo de Brayton se usa para sobrealimentar el segundo ciclo de Brayton a través de un compresor C1 (10).
5. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana MIEC (6) produce O 2 puro separado del aire atmosférico.
6. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la membrana MIEC (6) produce O 2 diluido con CO 2 .
7. Motor según la reivindicación 6, caracterizado por que el CO 2 con el que se diluye el O 2 se obtiene del aire atmosférico.
8. Motor según la reivindicación 6, caracterizado por que el CO 2 con el que se diluye el O 2 se produce por la combustión con hidrocarburo en el segundo ciclo de Brayton.
9. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que siempre hay una etapa de enfriamiento después de cada etapa de compresión.
10. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que se recupera calor de todas las fuentes residuales mediante combinación de los ciclos de Brayton primero y segundo realizando regeneraciones antes de cada enfriamiento.
11. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la energía mecánica producida por el segundo ciclo de Brayton se usa además para comprimir CO 2 producido hasta licuarlo.
12. Motor según la reivindicación 11, caracterizado por que se comprime el CO 2 hasta al menos 7,5 MPa.
13. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo de Otto, caracterizado por que el motor comprende al menos un pistón adicional (22) así como válvulas antirretorno primera y segunda (33, 19) a la entrada y aguas abajo del mismo para succionar y comprimir CO 2 sobrante acumulado en conductos del motor.
14. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo Diésel, caracterizado por que se usa la carrera de escape de los segundos cilindros (14) para comprimir el CO 2 , mediante el uso de válvulas antirretorno primera y segunda (33, 19) que permiten la descarga de CO 2 y la admisión de O 2 sustancialmente puro, empleándose este último como gas de arrastre en membranas de separación selectivas de CO 2 .
15. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, caracterizado por que comprende además un ciclo de Brayton a vacío (CBV) para enfriar más intensamente el O 2 sustancialmente puro, o el O 2 diluido con CO 2 , antes de una compresión posterior.
16. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado por que comprende un primer depósito (20) de almacenamiento de CO 2 licuado producido.
17. Motor según la reivindicación 16, caracterizado por que el CO 2 almacenado en el primer depósito (20) se usa para bombear combustible desde un segundo depósito (27) hacia los segundos cilindros (14) del motor y ambos depósitos primero y segundo (20, 27) están en un mismo tanque separados por una membrana flexible.
18. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado por que el CO 2 licuado producido se transfiere a un surtidor de una red logística de CO 2 externa.
19. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana MIEC (6) se basa en materiales cerámicos cristalinos que presentan conducción mixta de portadores electrónicos e iones oxígeno.
20. Motor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, siendo el motor de tipo de encendido provocado (SI), caracterizado por que se emplean turbogrupos para sobrealimentar los primeros cilindros (4) y se emplea la regulación de la producción de O 2 de la membrana MIEC (6) para regular la carga del motor.
21. Motor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, siendo el motor de tipo de encendido por compresión (CI), caracterizado por que se emplean turbogrupos para sobrealimentar los primeros cilindros (4) y se emplea la regulación de la producción de O 2 de la membrana MIEC (6) para regular la relación de compresión efectiva del fluido de trabajo en el ciclo del motor.
22. Método de funcionamiento del motor de combustión interna de la reivindicación 1, comprendiendo el método:
- un primer ciclo de Brayton regenerativo de compresiones de aire con enfriamiento intermedio y expansiones de nitrógeno con recalentamiento, por mezcla de una parte del nitrógeno, que comprende separar el O 2 del aire comprimido, de manera que la corriente de aire succionado está libre de N 2 , y un aire empobrecido procedente del rechazo de la separación se envía directamente a una corriente de gases de escape evitando su participación en una combustión posterior;
- un segundo ciclo de Brayton con compresión con enfriamiento intermedio, combinado de forma binaria con el primer ciclo de Brayton y anidado con un ciclo seleccionado de un ciclo de Otto y un ciclo Diésel realizado mediante oxicombustión,
en el que el segundo ciclo de Brayton transmite al primer ciclo de Brayton energía mecánica así como energía térmica procedente de gases de escape;
en el que el primer ciclo de Brayton proporciona al segundo ciclo de Brayton O 2 comprimido procedente de la separación;
mediante lo cual se evita la emisión de NOx a la atmósfera por la separación de N2.
23. Método según la reivindicación 22, caracterizado por que la energía mecánica neta producida por el primer ciclo de Brayton se usa para sobrealimentar el segundo ciclo de Brayton.
24. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 o 23, caracterizado por que el primer ciclo de Brayton produce O 2 puro separado del aire atmosférico.
25. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 23, caracterizado por que el primer ciclo de Brayton produce O 2 diluido con CO 2 .
26. Método según la reivindicación 25, caracterizado por que el CO 2 con el que se diluye el O 2 se obtiene del aire atmosférico.
27. Método según la reivindicación 25, caracterizado por que el CO 2 con el que se diluye el O 2 se produce por la combustión con hidrocarburo en el segundo ciclo de Brayton.
28. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 27, caracterizado por que siempre hay una etapa de enfriamiento después de cada etapa de compresión.
29. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 28, caracterizado por que se recupera calor de todas las fuentes residuales mediante combinación de los ciclos de Brayton primero y segundo realizando regeneraciones antes de cada enfriamiento.
30. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 29, caracterizado por que la energía mecánica producida por el segundo ciclo de Brayton se usa además para comprimir CO 2 producido hasta licuarlo.
31. Método según la reivindicación 30, caracterizado por que se comprime el CO 2 hasta al menos 7,5 MPa.
32. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 o 31, en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo de Otto, caracterizado por que comprende succionar y comprimir CO 2 sobrante acumulado en conductos del motor.
33. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 o 31, en el que el segundo ciclo de Brayton está anidado con un ciclo Diésel, caracterizado por que comprende comprimir el CO 2 , permitiendo la descarga de CO 2 y la admisión de O 2 sustancialmente puro, empleándose este último como gas de arrastre en membranas de separación selectivas de CO 2 .
34. Método según cualquiera de las reivindicaciones 24 ó 25, caracterizado por que comprende además un ciclo de Brayton a vacío (CBV) para enfriar más intensamente el O 2 sustancialmente puro, o el O 2 diluido con CO 2 , antes de una compresión posterior.
35. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 34, caracterizado por que comprende almacenar CO 2 licuado producido.
36. Método según la reivindicación 35, caracterizado por que comprende usar el CO 2 almacenado para bombear combustible hacia los cilindros del motor.
37. Método según cualquiera de las reivindicaciones 30 a 36, caracterizado por que comprende transferir el CO 2 licuado producido a un surtidor de una red logística de CO 2 externa.
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